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JP6413987B2 - Radio wave arrival direction estimation device, radio wave arrival direction estimation system - Google Patents
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Radio wave arrival direction estimation device, radio wave arrival direction estimation system Download PDF

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Description

本発明は、無線タグが出す電波がどの方向から来るかを推定する電波到来方向推定装置、および、その装置と無線タグとを備える電波到来方向推定システムに関する。   The present invention relates to a radio wave arrival direction estimation device that estimates from which direction a radio wave emitted by a wireless tag comes, and a radio wave arrival direction estimation system including the device and a wireless tag.

電波到来方向を推定する方法の一つとしてPseudo-doppler法が知られている(たとえば非特許文献1)。Pseudo-doppler法では、回転する板等の上にアンテナを取り付け、アンテナを運動させることで電波発信源から出される電波に対するドップラーシフトを作り出す。作り出したドップラーシフトにより、アンテナが受信する信号が変化するので、その信号の変化を解析して電波発信源の方位を推定する。非特許文献1では、アンテナが受信する信号の解析にフーリエ変換を用いている。   The Pseudo-doppler method is known as one of the methods for estimating the radio wave arrival direction (for example, Non-Patent Document 1). In the Pseudo-doppler method, an antenna is mounted on a rotating plate or the like, and the antenna is moved to create a Doppler shift for radio waves emitted from a radio wave source. Since the signal received by the antenna changes due to the created Doppler shift, the change of the signal is analyzed to estimate the direction of the radio wave source. In Non-Patent Document 1, Fourier transform is used for analysis of a signal received by an antenna.

Chang, H.-L., Tian, J.-B., Lai, T.-T., Chu, H.-H., and Huang, P., Spinning beacons for precise indoor localization, to appear in ACM Sensys ‘08.Chang, H.-L., Tian, J.-B., Lai, T.-T., Chu, H.-H., and Huang, P., Spinning beacons for precise indoor localization, to appear in ACM Sensys '08.

Pseudo-doppler法を利用するために回転盤等の運動体にアンテナを固定した装置(以下、アンテナ回転装置)を屋内に設置する場合、直接波とマルチパスによって生じる反射波とを分離することが必要になる。   In order to use the Pseudo-doppler method, when a device with an antenna fixed to a moving body such as a turntable (hereinafter referred to as an antenna rotating device) is installed indoors, the direct wave and the reflected wave caused by multipath may be separated. I need it.

直接波とマルチパスによって生じる反射波は、電波の到来角度が異なる。つまり、直接波と反射波とでは、見かけ上、電波発信源の方位が相違する。運動しているアンテナが受信する電波は、電波発信源の方位を反映したドップラーシフトが生じる。よって、周波数分解能を高くすることで、直接波と反射波の分離が可能となる。   The direct wave and the reflected wave generated by multipath have different radio wave arrival angles. That is, the direction of the radio wave source is apparently different between the direct wave and the reflected wave. A radio wave received by a moving antenna undergoes a Doppler shift reflecting the direction of the radio wave source. Therefore, the direct wave and the reflected wave can be separated by increasing the frequency resolution.

フーリエ変換では、周波数分解能Δfは窓幅の逆数で与えられる。すなわち、解析する窓幅が広くなれば、周波数分解能が高く(Δfが小さく)なり、逆に窓幅が狭くなると周波数分解能が低く(Δfが大きく)なる。   In the Fourier transform, the frequency resolution Δf is given by the reciprocal of the window width. That is, if the window width to be analyzed is widened, the frequency resolution is high (Δf is small), and conversely if the window width is narrowed, the frequency resolution is low (Δf is large).

また、もちろん、直接波と反射波の周波数差が大きいほど、直接波と反射波の分離は容易になる。そこで、ドップラーシフト量を大きくすることも必要となる。   Of course, the greater the frequency difference between the direct wave and the reflected wave, the easier the separation of the direct wave and the reflected wave. Therefore, it is necessary to increase the Doppler shift amount.

これらのことから、非特許文献1に記載されている装置は、大きな円盤を、回転周期をゆっくりにして回転させている。回転運動の場合、回転周期がゆっくりであっても、円盤が大きければ、円盤の外周付近に設置されているアンテナの速度は高くなるため、ドップラーシフトは大きくなる。また、回転周期がゆっくりであるため、時間窓を広くすることができる。そのため、周波数分解能Δfを高くすることもできる。   For these reasons, the apparatus described in Non-Patent Document 1 rotates a large disk with a slow rotation cycle. In the case of rotational movement, even if the rotation period is slow, if the disk is large, the speed of the antenna installed near the outer periphery of the disk increases, so the Doppler shift increases. Further, since the rotation period is slow, the time window can be widened. Therefore, the frequency resolution Δf can be increased.

しかし、大きな円盤を用いるため、屋内の様々な場所に容易に設置できるものではなくなってしまう。屋内の様々な場所に容易に設置できるようにするためには、小型であることが望まれる。   However, since a large disk is used, it cannot be easily installed in various indoor places. In order to be easily installed in various indoor places, it is desired to be small.

円盤を小型化しつつドップラーシフトを大きくするには、角速度を速くすればよい。しかしながら、角速度を速くすると周波数解析の窓を広くとることができなくなる。時間窓TはT=N/fs(Nはサンプリング点数、fsはサンプリング周波数)の関係があり、角速度を速くするとNが小さくなるからである。角速度を速くすると周波数解析の窓を広くとることができないため、周波数分解能が低下してしまう。   To increase the Doppler shift while reducing the size of the disk, the angular velocity should be increased. However, if the angular velocity is increased, the frequency analysis window cannot be widened. This is because the time window T has a relationship of T = N / fs (N is the number of sampling points, fs is the sampling frequency), and N is reduced when the angular velocity is increased. If the angular velocity is increased, the frequency analysis window cannot be widened, so that the frequency resolution is lowered.

フーリエ変換による周波数解析に代えて、測定信号のモデルを用意して、そのモデルのパラメータを変化させつつ、測定信号との一致度を判定する手法を用いれば、パラメータを変化させるピッチを細かくすることで、角度分解能を上げることができる。   Instead of frequency analysis by Fourier transform, prepare a measurement signal model and change the parameter of the model, and use a method to determine the degree of coincidence with the measurement signal. Thus, the angular resolution can be increased.

しかし、アンテナの運動によりアンテナと無線タグとの距離が連続的に変化し、この距離の変化により生じるドップラーシフトを表す測定信号のモデルは、厳密に表現すると複雑なモデルになってしまう。そのため、演算量が多くなってしまう。近似を用いてモデルを簡素化すれば演算量は少なくなるが、適切な近似でない場合には、電波到来方向の推定精度が低下する。   However, the distance between the antenna and the wireless tag changes continuously due to the movement of the antenna, and the model of the measurement signal representing the Doppler shift caused by this change in distance becomes a complicated model if expressed strictly. As a result, the amount of calculation increases. If the model is simplified using approximation, the amount of calculation is reduced, but if the approximation is not appropriate, the estimation accuracy of the radio wave arrival direction is lowered.

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、小型化が可能であり、角度分解能が高く、精度もよく、演算量も少なくすることができる電波到来方向推定装置および電波到来方向推定システムを提供することにある。   The present invention has been made based on this circumstance, and the object of the present invention is the direction of arrival of radio waves that can be downsized, have high angular resolution, high accuracy, and can reduce the amount of calculation. To provide an estimation device and a radio wave arrival direction estimation system.

上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は、発明の更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。   The above object is achieved by a combination of the features described in the independent claims, and the subclaims define further advantageous embodiments of the invention. Reference numerals in parentheses described in the claims indicate a correspondence relationship with specific means described in the embodiments described later as one aspect, and do not limit the technical scope of the present invention. .

上記目的を達成するための本発明は、無線タグ(300)が送信する予め設定された一定周波数の電波の到来方向を推定する電波到来方向推定装置であって、
往復直線運動する往復直線運動体(111、131、151)と、往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる駆動部(113、133、153)と、往復直線運動体に固定されて無線タグが送信する電波を受信するアンテナ(112、132、152)とを備え、アンテナが受信した電波に基づいて定まる信号である測定信号を出力する受信部(100、100A)と、
無線タグが送信する電波を平面波とする近似を用いて測定信号を表すモデルであって、未知パラメータとして、基準方位と電波が到来する方位との間の角度である方位角および位相を含む近似測定信号モデルと、受信部が出力する測定信号との一致度を、近似測定信号モデルの未知パラメータを変化させつつ算出することで、測定信号と最も一致する近似測定信号モデルにおける方位角を決定する方向決定部(230、230A)と、を備えることを特徴とする。
The present invention for achieving the above object is a radio wave arrival direction estimation device that estimates the arrival direction of a radio wave having a preset constant frequency transmitted by the wireless tag (300),
A reciprocating linear motion body (111, 131, 151) that reciprocates linearly, a drive unit (113, 133, 153) that moves the reciprocating linear motion body at a preset speed, and a wireless tag fixed to the reciprocating linear motion body An antenna (112, 132, 152) that receives radio waves transmitted by the receiver, and a receiving unit (100, 100A) that outputs a measurement signal that is a signal determined based on the radio waves received by the antenna;
Approximate measurement that represents a measurement signal using an approximation that uses a plane wave as the radio wave transmitted by the wireless tag, and includes an azimuth and phase that are the angle between the reference azimuth and the direction from which the radio wave arrives as an unknown parameter Direction to determine the azimuth angle in the approximate measurement signal model that best matches the measurement signal by calculating the degree of coincidence between the signal model and the measurement signal output by the receiver while changing the unknown parameter of the approximate measurement signal model And a determination unit (230, 230A).

本発明では、次の理由により、装置の小型化が可能である。無線タグが送信する周波数は一定周波数に設定されているが、実機では当然、送信する周波数にある程度の変動が生じる。アンテナが運動することにより生じるドップラーシフトの大きさが無線タグの送信する周波数の変動幅と同程度では、ドップラーシフトによる周波数変動を、無線タグが送信する周波数の変動と区別することができない。よって、周波数解析の手法によらず、Pseudo-doppler法では、ある程度の大きさのドップラーシフトが生じる速度でアンテナを運動させる必要がある。   In the present invention, the apparatus can be downsized for the following reason. The frequency transmitted by the wireless tag is set to a constant frequency, but naturally, a certain amount of fluctuation occurs in the transmitted frequency in the actual device. If the magnitude of the Doppler shift caused by the movement of the antenna is about the same as the fluctuation range of the frequency transmitted by the wireless tag, the frequency fluctuation caused by the Doppler shift cannot be distinguished from the fluctuation of the frequency transmitted by the wireless tag. Therefore, regardless of the frequency analysis method, the Pseudo-doppler method needs to move the antenna at a speed at which a certain amount of Doppler shift occurs.

アンテナを高速に運動させると窓幅が狭くなる。しかし、本発明では、フーリエ変換ではなく、受信部が出力する測定信号と近似測定信号モデルとの一致度を用いて、近似測定信号モデルにおける方位角を決定している。すなわち、窓幅には拘束されない手法で方位角を求めている。そのため、アンテナを高速に運動させてドップラーシフトを大きくすることができる。つまり、アンテナの運動速度を速くするために、直線運動のストロークを長くする必要がない。したがって、装置の小型化が可能である。また、角度分解能を高くするためには、数値探索するピッチを狭くすればよいことから、角度分解能を高くすることも容易である。   When the antenna is moved at high speed, the window width becomes narrower. However, in the present invention, the azimuth angle in the approximate measurement signal model is determined using not the Fourier transform but the degree of coincidence between the measurement signal output from the receiving unit and the approximate measurement signal model. That is, the azimuth angle is obtained by a method that is not restricted by the window width. Therefore, the Doppler shift can be increased by moving the antenna at high speed. That is, it is not necessary to lengthen the stroke of the linear motion in order to increase the motion speed of the antenna. Therefore, the apparatus can be miniaturized. Further, in order to increase the angular resolution, it is only necessary to narrow the pitch for numerical search, so it is easy to increase the angular resolution.

そして、本発明では、次の理由により、演算量を少なくしつつも、精度よく方位角を推定することができる。本発明では、アンテナが往復直線運動して無線タグに対する距離が変化することにより、アンテナが受信する電波にドップラーシフトが生じるため、アンテナが受信する電波の周波数は、アンテナの移動に伴って変動する。そのため、アンテナが受信する電波を厳密にモデル化すると、複雑なモデルとなり、演算量が多くなってしまう。   In the present invention, the azimuth angle can be accurately estimated for the following reason while reducing the amount of calculation. In the present invention, since the antenna reciprocates linearly and the distance to the wireless tag changes, a Doppler shift occurs in the radio wave received by the antenna. Therefore, the frequency of the radio wave received by the antenna varies with the movement of the antenna. . For this reason, if the radio wave received by the antenna is modeled strictly, a complicated model is generated and the amount of calculation increases.

そこで、本発明では、測定信号を近似して表す近似測定信号モデルを用いる。無線タグが送信する電波は、実際には球面波であるが、本発明における近似測定信号モデルは、無線タグが送信する電波を平面波であると近似して求めている。   Therefore, the present invention uses an approximate measurement signal model that approximates the measurement signal. The radio wave transmitted by the wireless tag is actually a spherical wave, but the approximate measurement signal model in the present invention obtains the radio wave transmitted by the wireless tag by approximating it as a plane wave.

平面波とする近似は、アンテナの位置によらず、無線タグはアンテナに対して同じ方向に存在するとみなすものである。アンテナの移動量と比較して、アンテナから無線タグまでの距離が長いほど、アンテナが移動しても、アンテナに対する無線タグの方向変化は少ない。本発明では、すでに説明したように、装置を小型化することができる。装置が小型であれば、アンテナの移動量も少なくなり、アンテナの移動量が少なくなれば、アンテナの移動量と比較して、アンテナから無線タグまでの距離が長くなりやすい。したがって、平面波とする近似は、装置を小型化できる本発明においては、アンテナが受信する電波を厳密にモデル化した場合に近い精度で電波到来方向を推定できる。厳密にモデル化した場合に近い精度で電波到来方向を推定できることから、平面波とする近似は、装置が小型化できる本発明では、精度よく電波到来方向を推定することができると言える。   The approximation as a plane wave is that the wireless tag is assumed to exist in the same direction with respect to the antenna regardless of the position of the antenna. As the distance from the antenna to the wireless tag is longer than the amount of movement of the antenna, the direction change of the wireless tag relative to the antenna is smaller even if the antenna moves. In the present invention, as described above, the apparatus can be miniaturized. If the device is small, the amount of movement of the antenna is small, and if the amount of movement of the antenna is small, the distance from the antenna to the wireless tag tends to be longer than the amount of movement of the antenna. Therefore, the approximation to the plane wave can estimate the direction of arrival of the radio wave with an accuracy close to that when the radio wave received by the antenna is strictly modeled in the present invention that can reduce the size of the apparatus. Since the arrival direction of radio waves can be estimated with an accuracy close to that when strictly modeled, it can be said that the approximation using a plane wave can accurately estimate the arrival direction of radio waves in the present invention in which the apparatus can be downsized.

また、平面波とする近似を用いた近似測定信号モデルは、詳しくは後述するが、厳密にモデル化した場合には存在する平方根がない。したがって、厳密にモデル化する場合に比較して、演算量も大きく低減できる。   In addition, an approximate measurement signal model using approximation as a plane wave will be described in detail later, but there is no square root that exists when it is modeled strictly. Therefore, the amount of calculation can be greatly reduced as compared with the case of strict modeling.

請求項2に係る発明では、受信部は、
往復直線運動体として、往復直線運動の方向が互いに交差する第1往復直線運動体(111)と第2往復直線運動体(131)を備え、
駆動部として、第1往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる第1駆動部(113)と、第2往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる第2駆動部(133)を備え、
アンテナとして、第1往復直線運動体に固定されている第1アンテナ(112)と、第2往復直線運動体に固定されている第2アンテナ(132)を備え、
方向決定部は、
第1アンテナが受信した電波に基づいて定まる測定信号である第1測定信号と、近似測定信号モデルとの一致度を、近似測定信号モデルの未知パラメータを変化させつつ算出し、第1測定信号と最も一致する近似測定信号モデルにおける方位角であって、互いに絶対値が同じで符号が異なる少なくとも一組の方位角を決定するとともに、
第2アンテナが受信した電波に基づいて定まる測定信号である第2測定信号と、近似測定信号モデルとの一致度を、近似測定信号モデルの未知パラメータを変化させつつ算出し、第2測定信号と最も一致する近似測定信号モデルにおける方位角であって、互いに絶対値が同じで符号が異なる少なくとも一組の方位角を決定し、
第1測定信号を用いて決定した各組の方位角のうち、第2測定信号を用いて決定した方位角と同じ方向を表している方位角を、実際に電波が到来している方位角として推定する。
In the invention according to claim 2, the receiving unit is
The reciprocating linear motion body includes a first reciprocating linear motion body (111) and a second reciprocating linear motion body (131) in which the directions of the reciprocating linear motion intersect each other,
As drive units, a first drive unit (113) that moves the first reciprocating linear motion body at a preset speed and a second drive unit (133) that moves the second reciprocating linear motion body at a preset speed are provided. ,
The antenna includes a first antenna (112) fixed to the first reciprocating linear motion body and a second antenna (132) fixed to the second reciprocating linear motion body,
The direction determining unit
The degree of coincidence between the first measurement signal, which is a measurement signal determined based on the radio wave received by the first antenna, and the approximate measurement signal model is calculated while changing unknown parameters of the approximate measurement signal model, Determining at least one set of azimuth angles in the approximate measurement signal model that most closely match, having the same absolute value and different signs,
The degree of coincidence between the second measurement signal, which is a measurement signal determined based on the radio wave received by the second antenna, and the approximate measurement signal model is calculated while changing an unknown parameter of the approximate measurement signal model. Determining at least one set of azimuth angles in the most similar approximate measurement signal model that have the same absolute value and different signs,
Of each set of azimuth angles determined using the first measurement signal, the azimuth angle indicating the same direction as the azimuth angle determined using the second measurement signal is defined as the azimuth angle from which the radio wave actually arrives. presume.

近似測定信号モデルにおいて、詳しくは後述するが、方位角は余弦関数の引数となっている。したがって、測定信号と最も一致する近似測定信号モデルとなる方位角は、必ず絶対値が同じであり異符号の2つの値をとる。この2つの値のうち、いずれか一方のみが実際に電波が到来している方位角であるので、この2つの値のうち、いずれが実際に電波が到来している方位角であるかを決定する必要がある。   As will be described later in detail in the approximate measurement signal model, the azimuth is an argument of the cosine function. Therefore, the azimuth angle that is the approximate measurement signal model that most closely matches the measurement signal always has the same absolute value and takes two values with different signs. Since only one of these two values is the azimuth angle from which radio waves actually arrive, determine which of these two values is the azimuth angle from which radio waves actually arrive There is a need to.

ここで、近似測定信号モデルにおける方位角は、往復直線運動体の運動方向を基準とした角度である。そこで、この請求項2に係る発明では、往復直線運動体として、往復直線運動の方向が互いに交差する第1往復直線運動体と第2往復直線運動体と、それら第1往復直線運動体と第2往復直線運動体にそれぞれ固定される第1アンテナ、第2アンテナを備える。往復直線運動の方向が互いに交差することから、第1測定信号と最も一致する近似測定信号モデルから決定した各組の方位角のうち、実際に電波が到来している方位角のみが、第2測定信号と最も一致する近似測定信号モデルから決定した方位角と同じ方向を表す。   Here, the azimuth angle in the approximate measurement signal model is an angle based on the movement direction of the reciprocating linear moving body. Accordingly, in the invention according to claim 2, as the reciprocating linear motion body, the first reciprocating linear motion body and the second reciprocating linear motion body whose directions of the reciprocating linear motion intersect each other, the first reciprocating linear motion body, A first antenna and a second antenna are respectively fixed to the two reciprocating linear motion bodies. Since the directions of the reciprocating linear motion intersect with each other, only the azimuth in which radio waves actually arrived among the azimuths of each set determined from the approximate measurement signal model that best matches the first measurement signal is the second azimuth. It represents the same direction as the azimuth angle determined from the approximate measurement signal model that most closely matches the measurement signal.

そこで、この請求項2に係る発明では、第1測定信号から決定した各組の方位角のうち、第2測定信号から決定した方位角と同じ方向を表している方位角を、実際に電波が到来している方位角として推定する。このようにすることで、実際に電波が到来している方位角を推定できる。   Therefore, in the invention according to claim 2, among the azimuth angles determined from the first measurement signal, the azimuth angle indicating the same direction as the azimuth angle determined from the second measurement signal is actually transmitted by the radio wave. Estimated as the azimuth angle coming. By doing so, it is possible to estimate the azimuth angle from which radio waves actually arrive.

請求項3に係る発明では、受信部は、アンテナが受信した電波を、電波の周波数よりも低い中間周波数の信号に変換する周波数変換部(120、140、160)を備え、測定信号として、周波数変換部が周波数を変換した信号を出力し、
近似測定信号モデルは、複数の到来波の合成波を中間周波数の信号に変換したモデルであって、無線タグが送信する電波の周波数をfRF、中間周波数をfIF、時刻をt、光速をv、アンテナの移動中心からのアンテナまでの距離をx、各到来波の方位角をφ、各到来波の振幅をA、各到来波の位相をΨ、到来波の数をN、近似測定信号モデルをVrefとしたとき、式1または式2と、式3、式4、式5で表されるモデルであり、

Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
方向決定部は、測定信号をVget-、サンプリング番号をk、総サンプリング数をKとしたとき、式6で表す残差eが最小となる複数の到来波の方位角の組み合わせを探索するものであって、
Figure 0006413987
式6をBで偏微分した式と、式6をCで偏微分した式をそれぞれ0とすることで立式される連立方程式を解くことによりB、Cを算出し、算出したB、Cを用いて、残差eが最小となる複数の到来波の方位角の組み合わせを探索する。 In the invention according to claim 3, the receiving unit includes a frequency converting unit (120, 140, 160) that converts the radio wave received by the antenna into a signal having an intermediate frequency lower than the frequency of the radio wave, and the frequency is used as a measurement signal. The conversion unit outputs the signal whose frequency is converted,
The approximate measurement signal model is a model obtained by converting a composite wave of a plurality of incoming waves into an intermediate frequency signal, where the frequency of the radio wave transmitted by the wireless tag is f RF , the intermediate frequency is f IF , the time is t, and the speed of light is v c , the distance from the moving center of the antenna to the antenna, x v , the azimuth angle of each incoming wave, φ m , the amplitude of each incoming wave, A m , the phase of each incoming wave, Ψ m , and the number of incoming waves N, when the approximate measurement signal model is V ref , it is a model represented by Equation 1 or Equation 2, Equation 3, Equation 4, and Equation 5,
Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
The direction determining unit searches for a combination of azimuth angles of a plurality of arriving waves that minimize the residual e expressed by Equation 6 where V get− is the measurement signal, k is the sampling number, and K is the total number of samplings. Because
Figure 0006413987
B and C are calculated by solving simultaneous equations formed by partial differentiation of Equation 6 by B and partial differentiation of Equation 6 by C to 0, and calculating the calculated B and C. And search for a combination of azimuth angles of a plurality of incoming waves with the smallest residual e.

この請求項3に係る発明によれば、連立方程式によりB、Cを算出できるので、式6において未知パラメータは方位角φのみとなる。したがって、探索する必要がある未知パラメータは方位角φの組み合わせのみとなり、探索する未知パラメータが少なくなるので、計算を迅速に行うことができる。 The invention according to the claims 3, B by simultaneous equations, it is possible to calculate the C, the unknown parameter is only the azimuth angle phi m in formula 6. Therefore, the unknown parameters that need to be searched are only combinations of the azimuth angle φ m , and the unknown parameters to be searched are reduced, so that the calculation can be performed quickly.

請求項4に係る発明では、方向決定部は、式6から測定信号のみの項を除き、かつ、符号を反転させた式7により計算される残差エネルギーEが最大となる複数の到来波の方位角の組み合わせを探索することで、式6で表す残差eが最小となる複数の到来波の方位角の組み合わせを探索する。

Figure 0006413987
In the invention according to claim 4, the direction determining unit removes the term of only the measurement signal from Equation 6 and calculates a plurality of incoming waves having the maximum residual energy E calculated by Equation 7 with the sign inverted. By searching for a combination of azimuth angles, a search is made for a combination of azimuth angles of a plurality of arriving waves that minimize the residual e expressed by Equation 6.
Figure 0006413987

このようにすれば、測定信号のみの項を演算しなくても、残差eが最小となる複数の到来波の方位角の組み合わせを探索できることから、計算量を少なくできる。なお、式6から測定信号のみの項を除いても、B、Cで偏微分して得られる式は変わらない。よって、式7を用いる場合も、B、Cを算出する連立方程式は、式6を用いた場合と同じになる。   In this way, it is possible to search for a combination of azimuth angles of a plurality of arriving waves that minimize the residual e, without calculating the term of only the measurement signal, thereby reducing the amount of calculation. In addition, even if the term of only the measurement signal is removed from Equation 6, the equation obtained by partial differentiation with B and C does not change. Therefore, even when Expression 7 is used, the simultaneous equations for calculating B and C are the same as when Expression 6 is used.

請求項5に係る発明は、残差eを算出する式の一部である式8および式9において、zが定まることにより値を計算できるz因子項に、複数の方位角、時刻を入力して計算したz因子項の計算値を記憶した記憶部(220)を備えており、

Figure 0006413987
Figure 0006413987
方向決定部は、記憶部に記憶されているz因子項の計算値を用いて、複数の方位角、時刻に対する式8、式9の値を算出する。 The invention according to claim 5 inputs a plurality of azimuth angles and times into a z-factor term that can calculate a value by determining z in equations 8 and 9, which are part of the equation for calculating the residual e. A storage unit (220) that stores the calculated value of the z-factor term calculated in
Figure 0006413987
Figure 0006413987
The direction determination unit calculates the values of Equations 8 and 9 for a plurality of azimuth angles and times using the calculated value of the z-factor term stored in the storage unit.

このように、予め計算したz因子項の計算値を用いて複数の方位角、時刻に対する式8、式9を算出すれば、方位角を推定する際の演算量が少なくなるので、方位角を迅速に推定できる。   In this way, by calculating Equation 8 and Equation 9 for a plurality of azimuth angles and times using the calculated value of the z-factor term calculated in advance, the amount of calculation when estimating the azimuth angle is reduced. It can be estimated quickly.

請求項6に係る発明では、受信部は、
往復直線運動体として、往復直線運動の方向が同一平面上において互いに交差する第1往復直線運動体(111)と第2往復直線運動体(131)を備え、
駆動部として、第1往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる第1駆動部(113)と、第2往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる第2駆動部(133)を備え、
アンテナとして、第1往復直線運動体に固定されている第1アンテナ(112)と、第2往復直線運動体に固定されている第2アンテナ(132)を備え、
近似測定信号モデルは、未知パラメータとして、方位角、位相に加えて、往復直線運動体の移動方向を含んでいる平面に対する電波の進行方向の仰角を含んでおり、
方向決定部は、
近似測定信号モデルにおける方位角と仰角を、方位角と仰角を合成した角度である合成角に変更したモデルである合成角近似モデルと、第1アンテナが受信した電波に基づいて定まる測定信号である第1測定信号との一致度を、合成角近似モデルの未知パラメータを変化させつつ算出し、第1測定信号と最も一致する合成角近似モデルにおける合成角を決定するとともに、
合成角近似モデルと第2アンテナが受信した電波に基づいて定まる測定信号である第2測定信号との一致度を、合成角近似モデルの未知パラメータを変化させつつ算出し、第2測定信号と最も一致する合成角近似モデルにおける合成角を決定し、
第1測定信号を用いて決定した合成角と、第2測定信号を用いて決定した合成角とに基づいて、方位角および仰角を決定する。
In the invention which concerns on Claim 6, a receiving part is:
The reciprocating linear motion body includes a first reciprocating linear motion body (111) and a second reciprocating linear motion body (131) whose directions of reciprocating linear motion intersect each other on the same plane,
As drive units, a first drive unit (113) that moves the first reciprocating linear motion body at a preset speed and a second drive unit (133) that moves the second reciprocating linear motion body at a preset speed are provided. ,
The antenna includes a first antenna (112) fixed to the first reciprocating linear motion body and a second antenna (132) fixed to the second reciprocating linear motion body,
The approximate measurement signal model includes, as unknown parameters, in addition to the azimuth and phase, the elevation angle of the traveling direction of the radio wave with respect to the plane including the moving direction of the reciprocating linear moving body,
The direction determining unit
This is a measurement signal that is determined based on a combined angle approximate model that is a model obtained by changing the azimuth angle and elevation angle in the approximate measurement signal model to a composite angle that is a combination of the azimuth angle and the elevation angle, and the radio wave received by the first antenna. The degree of coincidence with the first measurement signal is calculated while changing unknown parameters of the synthetic angle approximation model, and the synthetic angle in the synthetic angle approximation model that most closely matches the first measurement signal is determined.
The degree of coincidence between the synthesized angle approximation model and the second measurement signal, which is a measurement signal determined based on the radio wave received by the second antenna, is calculated while changing the unknown parameter of the synthesized angle approximation model. Determine the composite angle in the matching composite angle approximation model,
An azimuth angle and an elevation angle are determined based on the composite angle determined using the first measurement signal and the composite angle determined using the second measurement signal.

この発明によれば、近似測定信号モデルは、未知パラメータとして仰角も含んでいる。この近似測定信号モデルをそのまま用いて測定信号との一致度を算出しても、近似測定信号モデルと測定信号が最も一致する方位角と仰角の解が多数得られてしまい、方位角と仰角の推定が困難である。   According to the present invention, the approximate measurement signal model also includes the elevation angle as an unknown parameter. Even if this approximate measurement signal model is used as it is and the degree of coincidence with the measurement signal is calculated, a large number of azimuth and elevation angle solutions where the approximate measurement signal model and the measurement signal most closely match are obtained. It is difficult to estimate.

しかし、この発明では、近似測定信号モデルにおける方位角と仰角を、それら方位角と仰角を合成した合成角に変更した合成角近似モデルを用いる。方向決定部は、この合成角近似モデルが第1測定信号に最も一致する合成角と、合成角近似モデルが第2測定信号に最も一致する合成角とを決定する。   However, the present invention uses a synthesized angle approximation model in which the azimuth angle and elevation angle in the approximate measurement signal model are changed to a synthesized angle obtained by synthesizing the azimuth angle and elevation angle. The direction determining unit determines a composite angle at which the composite angle approximate model most closely matches the first measurement signal and a composite angle at which the composite angle approximate model most closely matches the second measurement signal.

方位角と仰角という2つの角度を合成角としてまとめることにより、合成角近似モデルが第1測定信号に最も一致する合成角、および、合成角近似モデルが第2測定信号に最も一致する合成角は、それぞれ一つに決定することが可能である。さらに、2つの合成角が得られるので、これら2つの合成角と、方位角および仰角と合成角との関係から、方位角と仰角が推定できる。   By combining the two angles, the azimuth angle and the elevation angle, as a composite angle, the composite angle that the composite angle approximation model best matches the first measurement signal and the composite angle that the composite angle approximation model best matches the second measurement signal are , Each can be determined as one. Further, since two composite angles are obtained, the azimuth angle and the elevation angle can be estimated from the relationship between these two composite angles, the azimuth angle and the elevation angle, and the composite angle.

請求項7に係る発明では、受信部は、さらに、
第1往復直線運動体および第2往復直線運動体が運動する平面に対して直交する方向に往復直線運動する第3往復直線運動体(151)と、
第3往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる第3駆動部(153)と、
第3往復直線運動体に固定されている第3アンテナ(152)を備え、
方向決定部(230A)は、
第1測定信号と合成角近似モデルの一致度、および、第2測定信号と合成角近似モデルの一致度を算出することに加えて、合成角近似モデルと第3アンテナが受信した電波に基づいて定まる測定信号である第3測定信号との一致度を、合成角近似モデルの未知パラメータを変化させつつ算出し、第3測定信号と最も一致する合成角近似モデルにおける合成角を決定し、
第1測定信号を用いて決定した合成角と第2測定信号を用いて決定した合成角とに基づいて、互いに絶対値が同じで符号が異なる2つの仰角を決定するとともに、
第1測定信号および第2測定信号のいずれか一方を用いて決定した合成角と第3測定信号を用いて決定した合成角とに基づいて、互いに絶対値が同じで符号が異なる2つの仰角を決定し、
第1測定信号を用いて決定した合成角と第2測定信号を用いて決定した合成角とから決定した2つの仰角のうち、第1測定信号および第2測定信号のいずれか一方を用いて決定した合成角と第3測定信号を用いて決定した合成角とから決定した仰角を、実際に電波が到来している仰角として推定する。
In the invention according to claim 7, the receiving unit further includes:
A third reciprocating linear motion body (151) that reciprocates linearly in a direction perpendicular to a plane in which the first reciprocating linear motion body and the second reciprocating linear motion body move;
A third drive unit (153) for moving the third reciprocating linear moving body at a preset speed;
A third antenna (152) fixed to the third reciprocating linear motion body;
The direction determining unit (230A)
In addition to calculating the degree of coincidence between the first measurement signal and the synthesized angle approximation model, and the degree of coincidence between the second measurement signal and the synthesized angle approximation model, based on the radio wave received by the synthesized angle approximation model and the third antenna The degree of coincidence with the third measurement signal that is the determined measurement signal is calculated while changing the unknown parameter of the synthetic angle approximation model, and the synthetic angle in the synthetic angle approximation model that most closely matches the third measurement signal is determined,
Based on the composite angle determined using the first measurement signal and the composite angle determined using the second measurement signal, two elevation angles having the same absolute value and different signs are determined,
Based on the composite angle determined using one of the first measurement signal and the second measurement signal and the composite angle determined using the third measurement signal, two elevation angles having the same absolute value but different signs are obtained. Decide
Of the two elevation angles determined from the combined angle determined using the first measurement signal and the combined angle determined using the second measurement signal, the determination is made using either the first measurement signal or the second measurement signal. The elevation angle determined from the synthesized angle and the synthesized angle determined using the third measurement signal is estimated as the elevation angle at which the radio wave actually arrives.

第1測定信号、第2測定信号から決定した合成角だけを用いると、仰角として、絶対値が同じで符号が異なる2つの値が得られる。たとえば、電波到来方向推定装置を床面や天井に設置するなど、電波到来方向推定装置の設置位置により、仰角として得られる絶対値が同じで符号が異なる2つの値のうち一方を排除できる場合、第1測定信号、第2測定信号から決定した合成角だけで仰角を1つの値に決定できる。   When only the composite angle determined from the first measurement signal and the second measurement signal is used, two values having the same absolute value but different signs are obtained as the elevation angle. For example, when the radio wave arrival direction estimation device is installed on the floor or ceiling, depending on the installation position of the radio wave arrival direction estimation device, one of two values having the same absolute value obtained as the elevation angle and different signs can be excluded. The elevation angle can be determined as one value only by the composite angle determined from the first measurement signal and the second measurement signal.

しかし、この発明では、第3往復直線運動体を備える。第3往復直線運動体は、第1往復直線運動体および第2往復直線運動体が運動する平面に対して交差する方向に往復直線運動し、第3アンテナは、この第3往復直線運動体に固定されて往復直線運動する。そのため、第3アンテナが受信した電波に基づいて定まる第3測定信号から決定した合成角は、第1測定信号や第2測定信号から決定する合成角とは、0度となる方向が相違する。したがって、この第3測定信号から決定した合成角も用いることで、第1測定信号、第2測定信号から決定した、絶対値が同じで符号が異なる2つの仰角の値のうち一方を排除できる。   However, the present invention includes the third reciprocating linear moving body. The third reciprocating linear moving body reciprocates linearly in a direction intersecting the plane in which the first reciprocating linear moving body and the second reciprocating linear moving body move, and the third antenna is connected to the third reciprocating linear moving body. It is fixed and reciprocates linearly. Therefore, the direction in which the combined angle determined from the third measurement signal determined based on the radio wave received by the third antenna is 0 degrees is different from the combined angle determined from the first measurement signal and the second measurement signal. Therefore, by using the composite angle determined from the third measurement signal, one of two elevation angle values having the same absolute value but different signs determined from the first measurement signal and the second measurement signal can be excluded.

このように、この発明では、仰角の対比により仰角を1つに決定できるので、電波到来方向推定装置を、電波到来方向の仰角として正負の値があり得る位置に設置したとしても、電波到来方向の仰角を1つの値に決定することができる。   Thus, in the present invention, since the elevation angle can be determined as one by contrasting the elevation angle, even if the radio wave arrival direction estimation device is installed at a position where the elevation angle of the radio wave arrival direction can have a positive or negative value, the radio wave arrival direction Can be determined as a single value.

請求項8に係る発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電波到来方向推定装置と、無線タグとを備えた電波到来方向推定システムである。   The invention according to claim 8 is a radio wave arrival direction estimation system including the radio wave arrival direction estimation device according to any one of claims 1 to 7 and a wireless tag.

無線タグリーダ1の構成図である。1 is a configuration diagram of a wireless tag reader 1. FIG. 第1アンテナ112と無線タグ300との相対位置を説明する図である。6 is a diagram illustrating a relative position between the first antenna 112 and the wireless tag 300. FIG. 平面波近似を説明する図である。It is a figure explaining plane wave approximation. 2つのアンテナ112、132を用いることで方位角φを1つに決定できることを説明する図である。It is a figure explaining that the azimuth angle (phi) can be determined to one by using the two antennas 112 and 132. FIG. 無線タグ300と第1アンテナ112の位置関係を三次元で示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the wireless tag 300 and the 1st antenna 112 in three dimensions. 第1アンテナ112の移動量Xのs軸成分を説明する図である。It is a diagram illustrating the s-axis component of the movement amount X V of the first antenna 112. zs平面での第1アンテナ112の移動量を説明する図である。It is a figure explaining the moving amount | distance of the 1st antenna 112 in zs plane. 合成角γを説明する図である。It is a figure explaining synthetic | combination angle | corner (gamma). 合成角γにより特定される無線タグ300の存在範囲を示す図である。It is a figure which shows the presence range of the wireless tag 300 specified by the synthetic | combination angle | corner (gamma). 2つの合成角γ、γを求めることで方位角φを絞り込めることを説明する図である。It is a figure explaining narrowing down azimuth angle (phi) by calculating two synthetic angles (gamma) 1 and (gamma) 2 . 第3実施形態の無線タグリーダ2の構成図である。It is a block diagram of the wireless tag reader 2 of 3rd Embodiment.

<第1実施形態>
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の電波到来方向推定システムは、図1に示す無線タグリーダ1と無線タグ300とを含んで構成される。無線タグリーダ1は、請求項の電波到来方向推定装置の一例である。
<First Embodiment>
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The radio wave arrival direction estimation system according to this embodiment includes the wireless tag reader 1 and the wireless tag 300 shown in FIG. The wireless tag reader 1 is an example of a radio wave arrival direction estimating device.

無線タグ300は、予め設定された一定の搬送波周波数fRFの無変調波を送信する。この無線タグ300はアクティブ型であり、電波は連続的に送信してもよいが、電池寿命の点で、断続的に電波を送信することが好ましい。無線タグ300は人に携帯されるものであり、衣服のポケットに容易に収容可能な大きさである。 RFID tag 300 transmits an unmodulated wave having a constant carrier frequency f RF that is set in advance. The wireless tag 300 is of an active type and may transmit radio waves continuously, but it is preferable to transmit radio waves intermittently from the viewpoint of battery life. The wireless tag 300 is carried by a person and has a size that can be easily accommodated in a pocket of clothes.

無線タグリーダ1は、受信部100と、信号処理部200とを備え、受信部100は、第1アンテナ部110、第2アンテナ部130、第1周波数変換部120、第2周波数変換部140を備える。   The wireless tag reader 1 includes a receiving unit 100 and a signal processing unit 200, and the receiving unit 100 includes a first antenna unit 110, a second antenna unit 130, a first frequency conversion unit 120, and a second frequency conversion unit 140. .

[第1アンテナ部110の説明]
第1アンテナ部110は、第1往復直線運動体111、第1アンテナ112、第1駆動部113を備える。第1往復直線運動体111は、直線の両方向に所定の範囲で往復直線運動する移動体である。この第1往復直線運動体111には、往復スライダ機構など、往復直線運動をする種々の周知の機構を用いることができる。第1往復直線運動体111は、地面など、所定の設置面に設置され、その設置面に対して平行に移動する。第1往復直線運動体111の大きさは、長さが十センチから数十センチの範囲である。
[Description of First Antenna Unit 110]
The first antenna unit 110 includes a first reciprocating linear moving body 111, a first antenna 112, and a first drive unit 113. The first reciprocating linear motion body 111 is a moving body that reciprocates linearly in a predetermined range in both directions of the straight line. As the first reciprocating linear motion body 111, various known mechanisms that perform reciprocating linear motion such as a reciprocating slider mechanism can be used. The first reciprocating linear motion body 111 is installed on a predetermined installation surface such as the ground, and moves in parallel to the installation surface. The first reciprocating linear moving body 111 has a length in the range of 10 centimeters to several tens of centimeters.

本実施形態の第1アンテナ112は棒状アンテナであり、第1往復直線運動体111に固定されている。第1アンテナ112は、設置面と直交するように第1往復直線運動体111に固定されており、第1往復直線運動体111が往復直線運動することにより、所定範囲を往復直線運動する。   The first antenna 112 of the present embodiment is a rod-shaped antenna and is fixed to the first reciprocating linear motion body 111. The first antenna 112 is fixed to the first reciprocating linear motion body 111 so as to be orthogonal to the installation surface, and the first reciprocating linear motion body 111 reciprocates linearly within a predetermined range.

第1駆動部113は、モーターを備えた構成であり、一定速度で第1往復直線運動体111を往復直線運動させる。第1往復直線運動体111を運動させる速度は、確保したいドップラーシフトに基づいて予め決定しておく。   The 1st drive part 113 is the structure provided with the motor, and makes the 1st reciprocating linear motion body 111 reciprocating linearly move at a fixed speed. The speed at which the first reciprocating linear moving body 111 is moved is determined in advance based on the Doppler shift to be secured.

[第1周波数変換部120の説明]
第1周波数変換部120は、ローノイズアンプ121、RF/IF部122、AD変換器(以下、ADC)123を備える。ローノイズアンプ121は、公知のローノイズアンプであり、第1アンテナ112で受けた微弱な電波をノイズの付加を少なくしつつ増幅しRF/IF部122へ送る。
[Description of First Frequency Conversion Unit 120]
The first frequency conversion unit 120 includes a low noise amplifier 121, an RF / IF unit 122, and an AD converter (hereinafter referred to as ADC) 123. The low noise amplifier 121 is a known low noise amplifier, and amplifies a weak radio wave received by the first antenna 112 while reducing the addition of noise and sends the amplified radio wave to the RF / IF unit 122.

RF/IF部122は、入力された高周波信号を所定の中間周波数の信号に変換する。たとえば局部発振器で生成した信号と入力された高周波信号とを混合することで、中間周波数の信号に変換する。そして、周波数変換した信号をADC123へ送る。ADC123は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して信号処理部200へ送る。   The RF / IF unit 122 converts the input high frequency signal into a signal having a predetermined intermediate frequency. For example, a signal generated by a local oscillator and an input high-frequency signal are mixed to convert it to an intermediate frequency signal. Then, the frequency-converted signal is sent to the ADC 123. The ADC 123 converts the input analog signal into a digital signal and sends it to the signal processing unit 200.

[第2アンテナ部130の説明]
第2アンテナ部130は、第1アンテナ部110に近接して配置されており、第2往復直線運動体131、第2アンテナ132、第2駆動部133を備える。これら、第2往復直線運動体131、第2アンテナ132、第2駆動部133は、それぞれ、第1アンテナ部110が備える第1往復直線運動体111、第1アンテナ112、第1駆動部113と同じ構成である。
[Description of Second Antenna Unit 130]
The second antenna unit 130 is disposed close to the first antenna unit 110 and includes a second reciprocating linear motion body 131, a second antenna 132, and a second drive unit 133. The second reciprocating linear moving body 131, the second antenna 132, and the second driving unit 133 are respectively the first reciprocating linear moving body 111, the first antenna 112, and the first driving unit 113 included in the first antenna unit 110. It is the same configuration.

ただし、第2往復直線運動体131の往復直線運動の方向は、第1往復直線運動体111の往復直線運動の方向とは異なる。具体的には、第2往復直線運動体131の往復直線運動の方向は、第1往復直線運動体111と同一平面上ではあるが、第1往復直線運動体111が直線運動する方向に直交する方向になっている。なお、第2往復直線運動体131が直線運動する方向と、第1往復直線運動体111が直線運動する方向とが平行でなければ、第2往復直線運動体131の配置方向は、第1往復直線運動体111に対して直交する方向でなくてもよい。   However, the direction of the reciprocating linear motion of the second reciprocating linear motion body 131 is different from the direction of the reciprocating linear motion of the first reciprocating linear motion body 111. Specifically, the direction of the reciprocating linear motion of the second reciprocating linear motion body 131 is on the same plane as the first reciprocating linear motion body 111, but is orthogonal to the direction in which the first reciprocating linear motion body 111 moves linearly. It is in the direction. If the direction in which the second reciprocating linear motion body 131 linearly moves and the direction in which the first reciprocating linear motion body 111 linearly moves are not parallel, the arrangement direction of the second reciprocating linear motion body 131 is the first reciprocating motion. The direction need not be orthogonal to the linear motion body 111.

[周波数変換部140の説明]
周波数変換部140は、第1周波数変換部120が備えるローノイズアンプ121、RF/IF部122、ADC123と同じ構成であるローノイズアンプ141、RF/IF部142、ADC143を備える。
[Description of Frequency Conversion Unit 140]
The frequency conversion unit 140 includes a low noise amplifier 121, an RF / IF unit 142, and an ADC 143 having the same configuration as the low noise amplifier 121, the RF / IF unit 122, and the ADC 123 included in the first frequency conversion unit 120.

[信号処理部200の説明]
信号処理部200は、信号取得部210、記憶部220、方向決定部230を備える。信号取得部210は、ADC123、143から信号を取得して、取得した信号を記憶部220あるいは図示しないRAMなどの所定の記憶部に格納する。信号取得部210がADC123から取得した信号を、以下、第1測定信号Vget1とし、信号取得部210がADC143から取得した信号を、第2測定信号Vget2とする。また、第1測定信号Vget1、第2測定信号Vget2を区別しないときは、単に測定信号Vgetとする。
[Description of Signal Processing Unit 200]
The signal processing unit 200 includes a signal acquisition unit 210, a storage unit 220, and a direction determination unit 230. The signal acquisition unit 210 acquires signals from the ADCs 123 and 143 and stores the acquired signals in the storage unit 220 or a predetermined storage unit such as a RAM (not shown). The signal signal acquisition unit 210 has acquired from ADC 123, hereinafter, as a first measurement signal V get1, signal acquisition unit 210 is a signal obtained from ADC143, and the second measurement signal V get2. Also, the first measurement signal V get1, when not distinguished second measurement signal V Get2 is simply a measurement signal V The get.

無線タグ300は無変調波を送信している。しかし、アンテナ112、132は往復直線運動体111、131が往復直線運動することにより、無線タグ300に対する距離が変化する。そのため、アンテナ112、132が受信する電波の周波数は変動する。したがって、測定信号Vgetも周波数が変動する。 The wireless tag 300 transmits an unmodulated wave. However, the distance between the antennas 112 and 132 with respect to the wireless tag 300 changes as the reciprocating linear motion members 111 and 131 reciprocate linearly. Therefore, the frequency of the radio wave received by the antennas 112 and 132 varies. Therefore, the frequency of the measurement signal V get also varies.

記憶部220は、無線タグ300が送信する電波を平面波とする近似を用いて、測定信号Vgetを表した式である近似測定信号モデルを記憶している。近似測定信号モデルは具体的には、後述する式19に示すモデルである。さらに、この記憶部220は、後述するcosz、sinz、式26に示している係数Sについて、時刻tと方位角φを種々変更して予め計算した計算値も記憶している。 The storage unit 220 stores an approximate measurement signal model that is an expression representing the measurement signal V get using an approximation in which a radio wave transmitted by the wireless tag 300 is a plane wave. More specifically, the approximate measurement signal model is a model shown in Equation 19 described later. Further, the storage unit 220 also stores calculation values calculated in advance by changing the time t and the azimuth angle φ for the coefficient S shown in cosz, sinz, and Expression 26 described later.

[近似測定信号モデルの説明]
この近似測定信号モデルを、無線タグ300からの電波を受信するアンテナが第1アンテナ112である例で説明する。無線タグ300からの電波を受信するアンテナが第2アンテナ132であっても、近似測定信号モデルは同じである。
[Explanation of approximate measurement signal model]
This approximate measurement signal model will be described using an example in which the first antenna 112 is an antenna that receives radio waves from the wireless tag 300. Even if the antenna that receives radio waves from the wireless tag 300 is the second antenna 132, the approximate measurement signal model is the same.

図2に、第1アンテナ112と無線タグ300との相対位置を示している。なお、図2は、無線タグ300が、第1往復直線運動体111が移動する平面(以下、アンテナ設置面)にあるとしている。第1アンテナ112は、このアンテナ設置面に対して垂直に設置されている。   FIG. 2 shows a relative position between the first antenna 112 and the wireless tag 300. Note that FIG. 2 assumes that the wireless tag 300 is on a plane (hereinafter referred to as an antenna installation surface) on which the first reciprocating linear moving body 111 moves. The first antenna 112 is installed perpendicular to the antenna installation surface.

アンテナ設置面上の点をx、yで表すと、図2は、無線タグ300のx,y座標を表している。図2に示すように、以下の説明では、無線タグ300が送信する電波は、周波数がfRF、振幅がA、位相がΨであるとする。また、第1アンテナ112の移動中心点をアンテナ設置面の原点とし、第1アンテナ112の移動方向をx方向、設置面上であって第1アンテナ112の移動方向に直交する方向をy方向とする。また、第1アンテナ112の移動量をx、原点Oと無線タグ300とを結ぶ線分と、x軸との間の角を方位角φとする。方位角φをこのように定義する場合、原点Oからx軸の正方向へ向かう方向が基準方位である。また、無線タグ300と原点との距離をLとする。 When points on the antenna installation surface are represented by x and y, FIG. 2 represents the x and y coordinates of the wireless tag 300. As shown in FIG. 2, in the following description, it is assumed that the radio wave transmitted by the wireless tag 300 has a frequency of f RF , an amplitude of A, and a phase of Ψ T. Also, the movement center point of the first antenna 112 is the origin of the antenna installation surface, the movement direction of the first antenna 112 is the x direction, and the direction on the installation surface and orthogonal to the movement direction of the first antenna 112 is the y direction. To do. Further, the movement amount of the first antenna 112 is x V , and the angle between the line segment connecting the origin O and the wireless tag 300 and the x axis is the azimuth angle φ. When the azimuth angle φ is defined in this way, the direction from the origin O toward the positive direction of the x axis is the reference azimuth. The distance between the wireless tag 300 and the origin is L 2 O.

これらの記号を用いると、無線タグ300と第1アンテナ112との距離は下記式10で表すことができる。

Figure 0006413987
When these symbols are used, the distance between the wireless tag 300 and the first antenna 112 can be expressed by Equation 10 below.
Figure 0006413987

さらに、この式10を用いると、第1アンテナ112が受信する無線タグ300からの電波を表す信号(以下、受信信号)は式11で表すことができる。なお、式11において、Aは受信波形の振幅、vは光速、tは測定時刻である。

Figure 0006413987
Further, when Expression 10 is used, a signal representing the radio wave from the wireless tag 300 received by the first antenna 112 (hereinafter, a received signal) can be expressed by Expression 11. In Expression 11, A is the amplitude of the received waveform, v c is the speed of light, t is the measured time.
Figure 0006413987

空中に放射するために電波の周波数は高いので、通常、そのままではサンプリングが困難である。そこで、ローカル信号とミキシングして周波数を下げる。周波数fLO、位相ΨLOの信号でミキシングすると、ミキシング後の受信信号Vは式12で表される。

Figure 0006413987
Since the frequency of radio waves is high because it radiates into the air, sampling is usually difficult as it is. Therefore, the frequency is lowered by mixing with the local signal. Frequency f LO, the mixing with the signal of the phase [psi LO, the received signal V R after mixing the formula 12.
Figure 0006413987

式12で表されるモデルは、近似を用いていないモデルである。式12で表されるモデルを、以下、厳密モデルという。第1アンテナ112が往復直線運動することに伴いLは増減し、Lの増減により受信波形の位相が変動する。したがって、ミキシング後の受信信号Vの周波数は、時間経過により変動する。そのため、精度のよい解析を行うにはある程度の窓幅が必要になるフーリエ変換法では、ミキシング後の受信信号Vを精度よく解析することができない。 The model represented by Expression 12 is a model that does not use approximation. Hereinafter, the model represented by Expression 12 is referred to as an exact model. The L R due to the first antenna 112 is linearly reciprocated increased or decreased, varying the phase of the received waveform by increasing or decreasing the L R. Therefore, the frequency of the received signal V R after mixing varies with time. Therefore, in the Fourier transform methods require a certain amount of window width to do good analysis accuracy can not be analyzed accurately received signal V R after mixing.

そこで、本実施形態ではモデルマッチにより、方位角φの推定を行う。しかし、式12に示した厳密モデルは、無線タグ300と第1アンテナ112との間の距離Lを含んでおり、この距離Lは、式1に示すように、式全体が平方根内にある。したがって、式12の厳密モデルを用いると、複雑な計算が必要となる。そこで、本実施形態では、計算を簡略化するために、無線タグ300が送信する電波を平面波であると近似して、式12に示した厳密モデルを近似した近似測定信号モデルを用いる。 Therefore, in this embodiment, the azimuth angle φ is estimated by model matching. However, exact model shown in Equation 12, the wireless tag 300 includes a distance L R between the first antenna 112, the distance L R, as shown in Equation 1, the entire expression within the square root is there. Therefore, using the exact model of Equation 12 requires complex calculations. Therefore, in this embodiment, in order to simplify the calculation, an approximate measurement signal model that approximates the radio wave transmitted by the wireless tag 300 as a plane wave and approximates the exact model shown in Expression 12 is used.

無線タグ300が送信する電波を平面波であると考えると、第1アンテナ112が受信する電波は、第1アンテナ112の位置によらず、無線タグ300から第1アンテナ112の移動中心点である原点Oに向かう電波と平行になっていると考えることができる。   Considering that the radio wave transmitted by the wireless tag 300 is a plane wave, the radio wave received by the first antenna 112 is the origin that is the movement center point of the first antenna 112 from the wireless tag 300 regardless of the position of the first antenna 112. It can be considered that it is parallel to the radio wave toward O.

この場合、図3に示すように、第1アンテナ112に到達する電波は、無線タグ300から第1アンテナ112の原点Oへの電波に対して垂直な直線Lの上の近似電波発信源300aから送信されたとみなすことができる。 In this case, as shown in FIG. 3, the radio wave reaches the first antenna 112, the approximate wave source 300a over from the radio tag 300 line vertical L T against radio waves to the origin O of the first antenna 112 Can be regarded as being sent from.

図3より、近似電波発信源300aから第1アンテナ112までの近似距離L’は、式13で表すことができることが分かる。

Figure 0006413987
3 that the approximate distance L R ′ from the approximate radio wave source 300a to the first antenna 112 can be expressed by Equation 13.
Figure 0006413987

式13に示す近似距離L’をLの代わりに用いる。すなわち、式12の距離Lに近似距離L’を代入する。また、Lは無線タグ300が移動していない場合には固定値であり、fRFも無線タグ300が発振する周波数に変動が生じていなければ固定値である。そこで、これらLとfRFも位相Ψとしてまとめる。これにより式14が得られる。この式14は近似測定信号モデルに相当する。式14は平方根がないシンプルな形になっているので、マッチング処理が容易になる。

Figure 0006413987
The approximate distance L R ′ shown in Equation 13 is used instead of LR . That is, the approximate distance L R ′ is substituted for the distance L R in Equation 12. L O is a fixed value when the wireless tag 300 is not moving, and f RF is also a fixed value if there is no variation in the frequency at which the wireless tag 300 oscillates. Therefore, these L 2 O and f RF are also summarized as the phase Ψ. This yields Equation 14. Equation 14 corresponds to an approximate measurement signal model. Since the expression 14 has a simple shape with no square root, the matching process is facilitated.
Figure 0006413987

式14において、未知パラメータは、振幅A、方位角φ、位相Ψである。これら3つの未知パラメータの組み合わせを設定してマッチング処理を行えばよい。ただし、式14は単一波に対するモデルである。マルチパス等で複数の方向から電波が到来する場合も解析する必要がある。   In Equation 14, the unknown parameters are amplitude A, azimuth angle φ, and phase Ψ. What is necessary is just to perform a matching process by setting the combination of these three unknown parameters. However, Formula 14 is a model for a single wave. It is also necessary to analyze when radio waves arrive from multiple directions, such as in a multipath.

そこで、本実施形態では、N個の電波の到来方向の組み合わせ、すなわちN個の方位角φの組み合わせのみでマッチング処理を行えるように式変形を行う。   Therefore, in the present embodiment, the equation is modified so that the matching process can be performed only by the combination of the arrival directions of N radio waves, that is, the combination of N azimuth angles φ.

式14を用いて、第1アンテナ112にN個の到来波が到来したときの測定信号Vgetを表現するモデルは、式15で表される。

Figure 0006413987
A model expressing the measurement signal V get when N arriving waves arrive at the first antenna 112 using Expression 14 is expressed by Expression 15.
Figure 0006413987

式15は、N個の到来波に対する近似測定信号モデルである。ただし、本実施形態では、この式15をそのまま用いるのではなく、計算を容易にするために、文字による置き換え等を行う。   Equation 15 is an approximate measurement signal model for N incoming waves. However, in the present embodiment, the expression 15 is not used as it is, but is replaced with characters in order to facilitate calculation.

後の式変形のために式15の一部を、式16に示す変数zに置き換え、振幅Aと位相Ψを、式17に示す変数B、変数Cに変換する。

Figure 0006413987
Figure 0006413987
For later equation transformation, a part of equation 15 is replaced with a variable z shown in equation 16, and amplitude A and phase Ψ are converted into variable B m and variable C m shown in equation 17.
Figure 0006413987
Figure 0006413987

式16を用いると、式15の中括弧内は式18の左辺のように表される。式18の左辺は、加法定理と式17に示す変数B、変数Cを用いると、式18の2行目のように表すことができる。

Figure 0006413987
Using Expression 16, the braces in Expression 15 are represented as the left side of Expression 18. The left side of Expression 18 can be expressed as the second line of Expression 18 by using the addition theorem and the variables B m and C m shown in Expression 17.
Figure 0006413987

式18を用いると、N個の到来波を表現するモデル(以下、マッチングモデル)は式19で表される。この式19で表されるマッチングモデルが、本実施形態で用いる近似測定信号モデルの一例である。

Figure 0006413987
When Expression 18 is used, a model (hereinafter referred to as a matching model) expressing N incoming waves is expressed by Expression 19. The matching model represented by Expression 19 is an example of the approximate measurement signal model used in this embodiment.
Figure 0006413987

式19に示すモデルと、測定信号Vgetとの一致度合いを評価する評価指標として式20に示す残差eを考える。なお、式20においてkはサンプリング番号、Kは総サンプリング数である。

Figure 0006413987
A residual e shown in Expression 20 is considered as an evaluation index for evaluating the degree of coincidence between the model shown in Expression 19 and the measurement signal Vget . In Equation 20, k is a sampling number and K is the total number of samplings.
Figure 0006413987

残差eが最小になるマッチングモデルが到来波を最もよく表している。式の置き換えにより、マッチングモデルは式19で表されており、式19に示すマッチングモデルにおいて、未知パラメータはφ、B、Cである。 The matching model with the smallest residual e best represents the incoming wave. By replacing the expression, the matching model is expressed by Expression 19. In the matching model shown in Expression 19, unknown parameters are φ m , B m , and C m .

ここで、B、Cを求めることを考える。残差eをn番目の到来波のB、Cでそれぞれ偏微分すると、式21、式22が得られる。

Figure 0006413987
Figure 0006413987
Here, consider obtaining B m and C m . When the residual e is partially differentiated with respect to B n and C n of the n-th incoming wave, Expressions 21 and 22 are obtained.
Figure 0006413987
Figure 0006413987

式19より、式23が得られる。

Figure 0006413987
From Equation 19, Equation 23 is obtained.
Figure 0006413987

式21、式22の中括弧内を展開した上で式23、式19を適用すると、式24、式25が得られる。

Figure 0006413987
Figure 0006413987
When Expression 23 and Expression 19 are applied after expanding the curly brackets in Expression 21 and Expression 22, Expression 24 and Expression 25 are obtained.
Figure 0006413987
Figure 0006413987

式24、式25を文字の置き換えにより単純化するため、式26に示す下記変数を考える。

Figure 0006413987
In order to simplify Expression 24 and Expression 25 by character replacement, consider the following variables shown in Expression 26.
Figure 0006413987

式26に示す変数を用いて式24、式25を書き換えると式27、式28が得られる。

Figure 0006413987
Figure 0006413987
Rewriting Expressions 24 and 25 using the variables shown in Expression 26 yields Expressions 27 and 28.
Figure 0006413987
Figure 0006413987

残差eを最小にするB、Cを求めたいので式29を考える。式29より、式27、式28の左辺を0とした式を考えることになる。したがって、各n(n=1〜N)に対して2N本の連立方程式が得られる。

Figure 0006413987
Since we want to find B m and C m that minimize the residual e, consider Equation 29. From Expression 29, an expression in which the left side of Expression 27 and Expression 28 is 0 is considered. Therefore, 2N simultaneous equations are obtained for each n (n = 1 to N).
Figure 0006413987

方位角φ、φを当てはめるとz、zが求められるので、方位角φ、φを当てはめると、式29の連立方程式は、各nについて、未知パラメータB、Cに関して2N本得られる。したがって、方位角φ、φを当てはめれば連立方程式を解いて未知パラメータB、Cを算出することができる。また、残差eは式20に示されるように、測定信号VgetとマッチングモデルVrefとの差を二乗しているので、残差eはB、Cに関して下に凸な二次形式である。したがって、式29の連立方程式を解くことで、残差eを最小にするB、Cを方位角φごとに求めることができる。 When azimuth angles φ m and φ n are applied, z m and z n are obtained. Therefore, when azimuth angles φ m and φ n are applied, the simultaneous equations of Equation 29 are related to unknown parameters B m and C m for each n. 2N bottles are obtained. Therefore, if the azimuth angles φ m and φ n are applied, the simultaneous parameters can be solved and the unknown parameters B m and C m can be calculated. Further, since the residual e is the square of the difference between the measurement signal V get and the matching model V ref as shown in Equation 20, the residual e is a quadratic form that is convex downward with respect to B m and C m. It is. Therefore, by solving the simultaneous equations of Equation 29, B m and C m that minimize the residual e can be obtained for each azimuth angle φ m .

式17より、式30が得られるので、B、Cが求まると、振幅Aと位相Ψも決定できる。

Figure 0006413987
Since Expression 30 is obtained from Expression 17, when B m and C m are obtained, the amplitude A m and the phase Ψ m can also be determined.
Figure 0006413987

よって、方位角φの組み合わせを探索するだけで、残差eが最小になるマッチングモデルを決定できる。 Therefore, only by searching the combination of azimuth phi m, it can determine the matching model residuals e is minimized.

さらに、本実施形態では式20に対して以下の式変形を行う。式20を展開すると式31が得られる。

Figure 0006413987
Further, in the present embodiment, the following equation modification is performed on Equation 20. When Expression 20 is expanded, Expression 31 is obtained.
Figure 0006413987

式31の右辺第2項は、式19と、式26を用いると、式32のように変形できる。

Figure 0006413987
The second term on the right side of Equation 31 can be transformed as Equation 32 using Equation 19 and Equation 26.
Figure 0006413987

また、式31の右辺第3項は、式19、式26を用いると、式33のように変形できる。

Figure 0006413987
The third term on the right side of Equation 31 can be transformed as Equation 33 using Equation 19 and Equation 26.
Figure 0006413987

式31をそのまま計算して残差eを求めてもよい。しかし、式31の右辺第1項は測定信号Vgetの2乗項であることから、常に正の数であり、かつ、探索する方位角φの値に影響されない。そこで、式31の右辺第1項を省略した残差エネルギーEを考える。残差エネルギーEは式34で示される。式34の右辺は、式31の右辺から、第1項を省略し、かつ、符号を反転させた式である。

Figure 0006413987
The residual e may be obtained by directly calculating Equation 31. However, since the first term on the right side of Equation 31 is the square term of the measurement signal V get , it is always a positive number and is not affected by the value of the azimuth angle φ m to be searched. Therefore, consider the residual energy E in which the first term on the right side of Equation 31 is omitted. Residual energy E is expressed by Equation 34. The right side of Expression 34 is an expression obtained by omitting the first term and inverting the sign from the right side of Expression 31.
Figure 0006413987

本実施形態では、この残差エネルギーEが請求項の一致度に相当しており、記憶部220には、式34が記憶されている。式34の右辺の第1項は式32で表され、第2項は式33で表されるので、式32、式33も記憶部220に記憶されている。   In the present embodiment, the residual energy E corresponds to the degree of coincidence of claims, and the storage unit 220 stores Expression 34. Since the first term on the right side of Expression 34 is expressed by Expression 32 and the second term is expressed by Expression 33, Expression 32 and Expression 33 are also stored in the storage unit 220.

式32、式33において、Sで示す係数は、zのみを変数として持つ。また、Dも、変数zを持つ変数である。この変数zにおいて、移動量xは時刻tの関数であるので、変数zは、時刻t、方位角φを決めれば予め計算することができる。 In Expressions 32 and 33, the coefficient indicated by S has only z as a variable. D is also a variable having a variable z. In this variable z, since the movement amount x V is a function of time t, the variable z is the time t, can be calculated in advance be determined azimuth angle phi m.

本実施形態では、時刻tと方位角φを種々変更して予め計算した変数zのcos値、sin値、および、その変数zのcos値、sin値から算出できる係数SBCnm、SBSnm、SCCnm、SCSnmの計算値も、記憶部220に記憶されている。 In this embodiment, the time t and the azimuth angle φ m are changed in various ways , and the cos value and sin value of the variable z calculated in advance, and the coefficients S BCnm and S BSnm that can be calculated from the cos value and sin value of the variable z. The calculated values of S CCnm and S CSnm are also stored in the storage unit 220.

より詳しくは、方位角φは、角度分解能に基づいて定まる角度ピッチで変化させ、各方位角φごとに、時刻tを、マッチングを行う波形の時間長さ分に渡り所定時刻ピッチ毎に変化させたときの変数zのcos値、sin値が記憶部220に記憶されている。なお、所定時刻ピッチは、たとえば、サンプリング周期と同じである。また、その変数zのcos値、sin値から計算できる係数Sも記憶部220に記憶されている。cosz、sinz、SBCnm、SBSnm、SCCnm、SCSnmは、請求項のz因子項に相当する。 More specifically, the azimuth angle φ m is changed at an angular pitch determined based on the angular resolution, and for each azimuth angle φ m , the time t is set for each predetermined time pitch over the time length of the waveform to be matched. The cos value and sin value of the variable z when changed are stored in the storage unit 220. The predetermined time pitch is the same as the sampling period, for example. The coefficient S that can be calculated from the cos value and sin value of the variable z is also stored in the storage unit 220. cosz, sinz, S BCnm, S BSnm, S CCnm, S CSnm corresponds to the z factor preceding claims.

方向決定部230は、以下の演算を行って、無線タグ300からの電波が到来する方位角φを推定する。 The direction determining unit 230 performs the following calculation to estimate the azimuth angle φ m from which the radio wave from the wireless tag 300 arrives.

(A)ADC123、143からそれぞれ取得する測定信号Vgetについて、(A1)〜(A5)を実施する。 (A) (A1) to (A5) are performed on the measurement signals V get acquired from the ADCs 123 and 143, respectively.

(A1)測定信号Vgetを取得して、その測定信号Vgetと、方位角φの組み合わせに含まれている各φについて記憶部220に記憶されているcosz、sinzの計算値から、式26のDBn、DCnを、各φについて計算する。 (A1) The measurement signal V get is acquired, and the calculated values of cosz n and sinz n stored in the storage unit 220 for each φ m included in the combination of the measurement signal V get and the azimuth angle φ m Then, D Bn and D Cn in Equation 26 are calculated for each φ m .

(A2)それらDBn、DCnをもとに、式29の連立方程式を各φについて解くことで、各φについてB、Cを得る。 (A2) thereof D Bn, based on the D Cn, the simultaneous equation of Equation 29 by solving for each phi m, obtaining B m, the C m for each phi m.

(A3)それらB、Cと、先に求めたDBn、DCn、記憶部220に記憶されている係数Sの計算値を式32、式33に代入して式34の第1項、第2項を計算し、それらを加算することで、残差エネルギーEを、φの組み合わせ毎に算出する。 (A3) Substituting the B m , C m , the previously obtained D Bn , D Cn , and the calculated value of the coefficient S stored in the storage unit 220 into the expressions 32 and 33, the first term in By calculating the second term and adding them, the residual energy E is calculated for each combination of φ m .

(A4)φの組み合わせ毎に求めた残差エネルギーEのうち、最大の残差エネルギーEを決定する。 (A4) Among the residual energies E obtained for each combination of φ m , the maximum residual energy E is determined.

(A5)最大の残差エネルギーEとなったφの組み合わせを決定する。式14に示されるように、φはcosの引数となっているため、最大の残差エネルギーEとなったφの組み合わせは、絶対値が同じで符号が異符号の2つの値が存在する。これを±φと表記する。一つの測定信号Vgetのみからでは、いずれの符号のφが正しいかは判定できない。そこで、これら絶対値が同じで符号が異符号の2つのφを方位角φの候補とする。 (A5) The combination of φ m that has the maximum residual energy E is determined. As shown in Expression 14, since φ is an argument of cos, the combination of φ m that has the maximum residual energy E has two values having the same absolute value but different signs. . This is expressed as ± φ m . It is impossible to determine which sign of φ m is correct from only one measurement signal V get . Therefore, two φ m having the same absolute value and different signs are set as candidates for the azimuth angle φ m .

ここで、第1アンテナ112の移動方向をx1軸とし、第2アンテナ132の移動方向をx2軸とする。また、第1測定信号Vget1を用いて計算した方位角φをφ1、第2測定信号Vget2を用いて計算した方位角φをφ2とする。なお、φ1はx1軸を基準方位とし、φ2はx2軸を基準方位とする。 Here, the moving direction of the first antenna 112 is taken as the x1 axis, and the moving direction of the second antenna 132 is taken as the x2 axis. Further, the .phi.2 m the azimuth angle phi m calculated using .phi.1 m, the second measurement signal V Get2 the azimuth angle phi m calculated using the first measurement signal V get1. Note that φ1 m has the x1 axis as the reference orientation, and φ2 m has the x2 axis as the reference orientation.

第1測定信号Vget1、第2測定信号Vget2について、それぞれ(A1)〜(A5)を実施することで、±φ1、±φ2が得られる。 The first measurement signal V get1, the second measurement signal V get2, by implementing each (A1) ~ (A5), ± φ1 m, ± φ2 m is obtained.

図4の例では、第1測定信号Vget1を用いて決定した候補がφ、−φであり、第2測定信号Vget2を用いて決定した候補がφ、−φである。 In the example of FIG. 4, 1 candidate determined using the first measurement signal V get1 is phi, it is -.phi 1, 2 candidate determined using the second measurement signal V Get2 is phi, is -.phi 2.

方位角φの候補±φのうち、一方のみが実際に電波が到来している方位角φである。他方はゴーストと呼ぶことにする。2つの往復直線運動体111、131が直線運動する方向が平行でない場合、実際に電波が到来している方位角φは、φ、−φのうち、φ、−φのいずれかと重複する方向であり、ゴーストは他方の候補と重複しない。 Of the candidates ± φ m for the azimuth angle φ m , only one is the azimuth angle φ m from which radio waves actually arrive. The other will be called a ghost. When the directions in which the two reciprocating linear motion bodies 111 and 131 linearly move are not parallel, the azimuth angle φ m from which radio waves actually arrive is either φ 2 or −φ 2 of φ 1 and −φ 1. The ghost does not overlap with the other candidate.

(B)そこで、Aを実行することで第1測定信号Vget1から求めた、絶対値が同じで符号が異なる各組の±φ1m1について、±φ2と同じ方向を表している方位角φ1を決定する。この決定した方位角φ1を、実際に電波が到来している方位角φ1とする。 (B) Therefore, by executing A, the azimuth angle φ1 representing the same direction as ± φ2 m for each set of ± φ1 m1 obtained from the first measurement signal V get1 and having the same absolute value and different signs Determine m . The determined azimuth angle .phi.1 m, actually the azimuth .phi.1 m radio waves are coming.

図4の例では、φはφと同じ方向を表している。一方、−φは、φとも、−φとも同じ方向を表していない。したがって、φ1を実際に電波が到来している方位角とする。 In the example of FIG. 4, φ 1 represents the same direction as φ 2 . Meanwhile, -.phi 1 is, phi 2 both not also represent the same direction as the -.phi 2. Therefore, let φ1 be the azimuth angle from which the radio wave actually arrives.

なお、Bの処理は、各mについて行う。そのため、mが2以上であれば、複数の方位角φが決定できる。これら複数のφのうち、いずれか1つが直接波、残りはマルチパスにより生じる間接波である。たとえば、複数の方位角φからそれぞれ振幅Aを求め、最大の振幅Aに対応する方位角φを直接波の方位角φとする。 The process B is performed for each m. Therefore, if m is 2 or more, a plurality of azimuth angles φ m can be determined. Among these plural φ m , any one is a direct wave, and the remaining is an indirect wave caused by multipath. For example, each determined amplitude A from a plurality of azimuth angles phi m, and azimuth angle phi m of the direct wave of the azimuth angle phi m corresponding to the maximum amplitude A.

[第1実施形態のまとめ]
以上、説明した本実施形態では、無線タグリーダ1の小型化が可能である。その理由は次の通りである。すでに説明したように、Pseudo-doppler法では、ある程度の大きさのドップラーシフトが生じる速度でアンテナ112、132を運動させる必要がある。
[Summary of First Embodiment]
As described above, in the present embodiment described above, the wireless tag reader 1 can be downsized. The reason is as follows. As already described, in the Pseudo-doppler method, it is necessary to move the antennas 112 and 132 at a speed at which a certain amount of Doppler shift occurs.

アンテナ112、132を高速に運動させると窓幅が狭くなる。しかし、本実施形態では、フーリエ変換ではなく、測定信号Vgetと近似測定信号モデルとの一致度を表す残差エネルギーEを算出して、近似測定信号モデルにおける方位角φを決定している。すなわち、窓幅には拘束されない手法で方位角φを求めている。そのため、アンテナ112、132を高速に運動させてドップラーシフトを大きくすることができる。つまり、アンテナ112、132の運動速度を速くするために、アンテナ112、132の直線運動のストロークを長くする必要がない。したがって、無線タグリーダ1の小型化が可能になるのである。また、角度分解能を高くするためには、数値探索するピッチを狭くすればよいことから、角度分解能を高くすることも容易である。 When the antennas 112 and 132 are moved at high speed, the window width is narrowed. However, in this embodiment, not the Fourier transform but the residual energy E representing the degree of coincidence between the measurement signal V get and the approximate measurement signal model is calculated, and the azimuth angle φ in the approximate measurement signal model is determined. That is, the azimuth angle φ is obtained by a method that is not restricted by the window width. Therefore, the Doppler shift can be increased by moving the antennas 112 and 132 at high speed. That is, it is not necessary to increase the stroke of the linear motion of the antennas 112 and 132 in order to increase the motion speed of the antennas 112 and 132. Therefore, the wireless tag reader 1 can be downsized. Further, in order to increase the angular resolution, it is only necessary to narrow the pitch for numerical search, so it is easy to increase the angular resolution.

また、本実施形態では、次の理由により、演算量を少なくしつつも、精度よく方位角φを推定することができる。すでに説明したように、アンテナ112、132が受信する電波を厳密にモデル化すると、複雑なモデルとなり、演算量が多くなってしまう。そこで、本実施形態では、近似測定信号モデルを用いる。無線タグ300が送信する電波は、実際には球面波であるが、近似測定信号モデルは、無線タグ300が送信する電波を平面波であると近似している。   In the present embodiment, the azimuth angle φ can be accurately estimated for the following reason while reducing the amount of calculation. As already described, if the radio waves received by the antennas 112 and 132 are modeled strictly, a complicated model is generated and the amount of calculation increases. Therefore, in this embodiment, an approximate measurement signal model is used. The radio wave transmitted by the wireless tag 300 is actually a spherical wave, but the approximate measurement signal model approximates the radio wave transmitted by the wireless tag 300 as a plane wave.

平面波とする近似は、アンテナ112、132の位置によらず、無線タグ300はアンテナ112、132に対して同じ方向に存在するとみなすものである。アンテナ112、132の移動量と比較して、アンテナ112、132から無線タグ300までの距離が長いほど、アンテナ112、132が移動しても、アンテナ112、132に対する無線タグ300の方向変化は少ない。本実施形態の無線タグリーダ1は、すでに説明したように、小型化することができる。無線タグリーダ1が小型であれば、アンテナ112、132の移動量も少なくなり、アンテナ112、132の移動量が少なくなれば、アンテナ112、132の移動量と比較して、アンテナ112、132から無線タグ300までの距離が長くなりやすい。したがって、平面波とする近似は、無線タグリーダ1を小型化できる本実施形態においては、アンテナ112、132が受信する電波を厳密にモデル化した場合に対する精度低下が少ない。厳密にモデル化した場合に対する精度低下が少ないので、平面波とする近似は、無線タグリーダ1を小型化できる場合には、精度よく方位角φを推定することができると言える。   The approximation as a plane wave is that the wireless tag 300 is assumed to exist in the same direction with respect to the antennas 112 and 132 regardless of the positions of the antennas 112 and 132. As the distance from the antennas 112 and 132 to the wireless tag 300 is longer, the direction change of the wireless tag 300 relative to the antennas 112 and 132 is smaller as the distance from the antennas 112 and 132 to the wireless tag 300 is longer. . As already described, the wireless tag reader 1 of the present embodiment can be miniaturized. If the wireless tag reader 1 is small, the amount of movement of the antennas 112 and 132 also decreases. If the amount of movement of the antennas 112 and 132 decreases, the wireless tag reader 1 wirelessly transmits from the antennas 112 and 132 compared to the amount of movement of the antennas 112 and 132. The distance to the tag 300 tends to be long. Therefore, the approximation using the plane wave is less likely to reduce accuracy compared to the case where the radio waves received by the antennas 112 and 132 are strictly modeled in the present embodiment in which the RFID tag reader 1 can be downsized. Since there is little decrease in accuracy with respect to the case where it is strictly modeled, it can be said that approximation using a plane wave can estimate the azimuth angle φ with high accuracy when the wireless tag reader 1 can be miniaturized.

また、厳密モデルは式12、式10から分かるように平方根が存在するのに対して、式14に示される近似測定信号モデルは平方根がないので、この近似測定信号モデルに基づいて電波到来方向を推定することで、演算量も大きく低減できる。   In addition, the strict model has a square root as can be seen from Equations 12 and 10, whereas the approximate measurement signal model shown in Equation 14 has no square root. By estimating, the amount of calculation can be greatly reduced.

また、本実施形態では、往復直線運動の方向が互いに交差する第1往復直線運動体111と第2往復直線運動体131と、それら第1往復直線運動体111と第2往復直線運動体131にそれぞれ固定された第1アンテナ112、第2アンテナ132を備える。そして、第1測定信号Vget1から決定した各組の方位角±φ1のうち、第2測定信号Vget2から決定した方位角φ2と同じ方向を表している方位角φ1を、電波が到来する方位角φ1として推定する。このようにすることで、電波が到来する方位角φ1を、1つの方位角φ1に絞り込むことができる。 Further, in the present embodiment, the first reciprocating linear motion body 111 and the second reciprocating linear motion body 131, and the first reciprocating linear motion body 111 and the second reciprocating linear motion body 131 intersect with each other. A first antenna 112 and a second antenna 132, which are fixed, are provided. Of the sets of azimuth ± .phi.1 m determined from the first measurement signal V get1, the azimuth angle .phi.1 m representing the same direction as the azimuth angle .phi.2 m determined from the second measurement signal V Get2, radio waves Estimated as the incoming azimuth angle φ1 m . In this way, the azimuth angle φ1 m from which radio waves arrive can be narrowed down to one azimuth angle φ1 m .

また、本実施形態では、連立方程式によりB、Cを算出できるようにしているので、探索する必要がある未知パラメータは方位角φの組み合わせのみとなる。これにより、計算を迅速に行うことができる。 In this embodiment, since B m and C m can be calculated by simultaneous equations, the unknown parameter that needs to be searched is only a combination of the azimuth angle φ m . Thereby, calculation can be performed rapidly.

また、本実施形態では、式20に示した残差eを計算するのではなく、残差eから測定信号Vgetのみの項を除いた、式34に示す残差エネルギーEを計算する。これにより、測定信号Vgetのみの項を演算しなくても、残差eが最小となる複数の到来波の方位角φの組み合わせを探索できることから、計算量を少なくできる。 Further, in the present embodiment, the residual energy E shown in Expression 34 is calculated by removing the term of only the measurement signal V get from the residual e, instead of calculating the residual e shown in Expression 20. Thereby, it is possible to search for a combination of a plurality of azimuth angles φ m of the arriving waves that minimize the residual e without calculating a term of only the measurement signal V get , thereby reducing the amount of calculation.

さらに、本実施形態では、時刻tと方位角φを種々変更して予め計算した変数zのcos値、sin値、係数SBCnm、SBSnm、SCCnm、SCSnmの計算値を記憶部220に記憶しており、この計算値を用いて、残差エネルギーEを算出する。これによっても、方位角φを推定する際の演算量が少なくなるので、方位角φを迅速に推定できる。 Furthermore, in the present embodiment, the storage unit 220 stores the calculated values of the cos value, the sin value, and the coefficients S BCnm , S BSnm , S CCnm , and S CSnm of the variable z calculated in advance by changing the time t and the azimuth angle φ m in various ways . The residual energy E is calculated using this calculated value. This also reduces the amount of calculation when estimating the azimuth angle φ m , so that the azimuth angle φ m can be estimated quickly.

<第2実施形態>
次に、第2実施形態を説明する。この第2実施形態以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. In the following description of the second embodiment, elements having the same reference numerals as those used so far are the same as elements having the same reference numerals in the previous embodiments unless otherwise specified. Further, when only a part of the configuration is described, the above-described embodiment can be applied to the other parts of the configuration.

第2実施形態の電波到来方向推定システムも、図1の構成を備える。ただし、方向決定部230が実行する処理が、第1実施形態と相違する。第1実施形態の方向決定部230は、電波到来方向における平面方向の角度である方位角φのみを決定していたが、第2実施形態の方向決定部230は、方位角φに加えて、仰角δも決定する。仰角δは、xy平面に対する電波到来方向の角度である。   The radio wave arrival direction estimation system of the second embodiment also has the configuration of FIG. However, the process which the direction determination part 230 performs differs from 1st Embodiment. The direction determining unit 230 of the first embodiment has determined only the azimuth angle φ that is the angle of the plane direction in the radio wave arrival direction, but the direction determining unit 230 of the second embodiment has the following in addition to the azimuth angle φ: The elevation angle δ is also determined. The elevation angle δ is an angle of the radio wave arrival direction with respect to the xy plane.

第2実施形態では、無線タグリーダ1の第1アンテナ部110、第2アンテナ部130は、仰角δがxy平面に対していずれか一方に限定できる位置に配置されているとする。仰角δがxy平面に対していずれか一方に限定できる位置は、たとえば、床や天井などである。   In the second embodiment, it is assumed that the first antenna unit 110 and the second antenna unit 130 of the wireless tag reader 1 are arranged at positions where the elevation angle δ can be limited to either one with respect to the xy plane. The position where the elevation angle δ can be limited to either one with respect to the xy plane is, for example, a floor or a ceiling.

第2実施形態では、図5に示すように座標系を定義する。z軸はxy平面に垂直であり、原点Oを通る軸である。座標軸sは、無線タグ300およびz軸を含む平面がxy平面と交差する直線の方向の軸である。仰角δは、図6に示すように、sz平面において、無線タグ300と原点Oを結ぶ線分と、s軸とのなす角度である。なお、図5、図6は、第1往復直線運動体111および第1アンテナ112に対する座標系である。第2往復直線運動体131および第2アンテナ132に対する座標系も、第1往復直線運動体111および第1アンテナ112に対する座標系と同じように考えればよいので、以下、第1往復直線運動体111および第1アンテナ112に対する座標系で説明する。   In the second embodiment, a coordinate system is defined as shown in FIG. The z-axis is perpendicular to the xy plane and passes through the origin O. The coordinate axis s is an axis in a linear direction in which a plane including the wireless tag 300 and the z axis intersects the xy plane. As shown in FIG. 6, the elevation angle δ is an angle formed by a line segment connecting the wireless tag 300 and the origin O and the s axis in the sz plane. 5 and 6 are coordinate systems for the first reciprocating linear moving body 111 and the first antenna 112. FIG. Since the coordinate system for the second reciprocating linear motion body 131 and the second antenna 132 may be considered in the same manner as the coordinate system for the first reciprocating linear motion body 111 and the first antenna 112, hereinafter, the first reciprocating linear motion body 111 is used. The coordinate system for the first antenna 112 will be described.

平面波近似を行うと、第1アンテナ112の位置によらず、往復運動の中央に到来する電波と平行な電波が到来すると近似することになる。平面波近似は換言すれば、第1アンテナ112の位置を、無線タグ300と原点を結ぶ直線上の位置に近似することになる。   When the plane wave approximation is performed, it is approximated that a radio wave parallel to the radio wave arriving at the center of the reciprocating motion arrives regardless of the position of the first antenna 112. In other words, the plane wave approximation approximates the position of the first antenna 112 to a position on a straight line connecting the wireless tag 300 and the origin.

図6に示すように、第1アンテナ112の移動量xのs軸成分はxcosφである。つまり、図7に示すように、zs平面での第1アンテナ112の移動量はxcosφである。したがって、無線タグ300と原点を結ぶ直線上に近似した第1アンテナ112の移動量は、図7にも示すように、xcosφcosδとなる。よって、近似距離L’は、式35で表される。

Figure 0006413987
As shown in FIG. 6, s-axis component of the movement amount x V of the first antenna 112 is x v cos [phi. That is, as shown in FIG. 7, the moving amount of the first antenna 112 in the zs plane is x v cosφ. Therefore, the movement amount of the first antenna 112 approximated on a straight line connecting the wireless tag 300 and the origin is x v cos φ cos δ as shown in FIG. Therefore, the approximate distance L R ′ is expressed by Expression 35.
Figure 0006413987

この式35と、式13の違いにより、第2実施形態では、変数zは式36で表される。

Figure 0006413987
Due to the difference between Expression 35 and Expression 13, the variable z m is expressed by Expression 36 in the second embodiment.
Figure 0006413987

この式36において、cosφcosδは、三角関数の掛け算であることから、掛けた後の値が同じになる方位角φと仰角δの組み合わせが多数存在する。そこで、方位角φと仰角δをまとめた合成角γを考える。 In this equation 36, cos φ m cos δ m is a multiplication of a trigonometric function, so there are many combinations of the azimuth angle φ m and the elevation angle δ m that have the same value after multiplication. Therefore, a composite angle γ that combines the azimuth angle φ and the elevation angle δ is considered.

合成角γは、方位角φと仰角δを掛け合わせた角度であり、図8に示すように、第1往復直線運動体111の移動方向すなわちx軸と、原点Oと無線タグ300とを結ぶ線分とのなす角度である。   The composite angle γ is an angle obtained by multiplying the azimuth angle φ and the elevation angle δ. As shown in FIG. 8, the moving direction of the first reciprocating linear moving body 111, that is, the x axis, and the origin O and the wireless tag 300 are connected. This is the angle between the line segment.

この合成角γを用いると、式37が成り立ち、式37を式36に代入すると、式38が得られる。式38の変数zは、第1実施形態のzと同じ形になる。なお、式19のマッチングモデルにおいて、変数zを式38としたものが、請求項の合成角近似モデルの一例である。

Figure 0006413987
Figure 0006413987
When this composite angle γ is used, Expression 37 is established. When Expression 37 is substituted into Expression 36, Expression 38 is obtained. The variable z in Expression 38 has the same form as z in the first embodiment. In the matching model of Expression 19, the variable z is Expression 38, which is an example of the composite angle approximation model in the claims.
Figure 0006413987
Figure 0006413987

この合成角γで絞り込むことができる電波到来方向の範囲は、図9に破線で示す円錐面上になる。この円錐は、第1アンテナ112の移動中心点(すなわち原点O)を頂点とし、頂角を2γとする円錐である。なお、円錐の頂角は、円錐を中心軸を含む平面で切断してできる三角形の頂角である。   The range of the radio wave arrival direction that can be narrowed down by the composite angle γ is on a conical surface indicated by a broken line in FIG. This cone is a cone having the movement center point (that is, the origin O) of the first antenna 112 as the apex and the apex angle as 2γ. Note that the apex angle of the cone is an apex angle of a triangle formed by cutting the cone along a plane including the central axis.

第2実施形態でも、2つのアンテナ112、132を備えており、これらのアンテナ112、132は、移動方向が交差する関係にある。各アンテナ112、132を用いて検出した測定信号Vgetを用いて第1実施形態と同様の計算をすると、各測定信号Vgetからそれぞれ合成角γを求めることができる。 Also in the second embodiment, two antennas 112 and 132 are provided, and these antennas 112 and 132 are in a relationship in which the moving directions intersect each other. When the same calculation as in the first embodiment is performed using the measurement signals V get detected using the antennas 112 and 132, the combined angle γ can be obtained from each measurement signal V get .

なお、合成角γも計算からは、絶対値が同じで符号が異なる2つの値が得られる。しかし、合成角γは、電波到来方向の範囲を示す円錐において、円錐の軸から円錐表面までの角度を表しているので正の値と考えればよい。したがって、計算から得られる正の合成角γの値を、最終的な合成角γとする。   It should be noted that the composite angle γ is also calculated from two values having the same absolute value but different signs. However, since the composite angle γ represents the angle from the cone axis to the cone surface in the cone indicating the range of the radio wave arrival direction, it can be considered as a positive value. Therefore, the value of the positive composite angle γ obtained from the calculation is set as the final composite angle γ.

ここで第1測定信号Vget1から求めた合成角γをγ、第2測定信号Vget2から求めた合成角γをγとする。また、第1アンテナ112の側のx軸、y軸をx1軸、y1軸、第2アンテナ132の側のx軸、y軸をx2軸、y2軸とすると、合成角γ、γは、図10のように図示できる。この図10に示す角度αは、x1軸とx2軸のなす角度である。 Here the synthetic angle gamma gamma 1 obtained from the first measurement signal V get1, the compound angle gamma obtained from the second measurement signal V Get2 and gamma 2. Also, if the x axis and y axis on the first antenna 112 side are x1 axis and y1 axis, and the x axis and y axis on the second antenna 132 side are x2 axis and y2 axis, the combined angles γ 1 and γ 2 are , As shown in FIG. The angle α shown in FIG. 10 is an angle formed by the x1 axis and the x2 axis.

cosγは式39で表すことができる。また、角度αと方位角φは同一平面上の角度であるから、cosγは、角度αを用いて式40のように表すことができる。

Figure 0006413987
Figure 0006413987
cos γ 1 can be expressed by Equation 39. Further, since the angle α and the azimuth angle φ are on the same plane, cos γ 2 can be expressed as in Expression 40 using the angle α.
Figure 0006413987
Figure 0006413987

さらに、式39、式40を用いると、方位角φ、仰角δは、それぞれ式41、式42のように表すことができる。

Figure 0006413987
Figure 0006413987
Furthermore, using Expression 39 and Expression 40, the azimuth angle φ and the elevation angle δ can be expressed as Expression 41 and Expression 42, respectively.
Figure 0006413987
Figure 0006413987

式41に示されるように、方位角φは一意に定まる。一方、仰角δは、符号が異なる2つの値が得られてしまう。しかし、第2実施形態では、無線タグリーダ1が床や天井など、電波到来方向の仰角δが、正負いずれか一方に限定できる位置に配置されている。したがって、符号が異なる2つの仰角δのうち、配置から定まる符号を持つ仰角δを、電波到来方向を表す仰角δであるとする。   As shown in Equation 41, the azimuth angle φ is uniquely determined. On the other hand, as the elevation angle δ, two values having different signs are obtained. However, in the second embodiment, the wireless tag reader 1 is arranged at a position where the elevation angle δ in the radio wave arrival direction can be limited to either positive or negative, such as a floor or a ceiling. Therefore, the elevation angle δ having the sign determined from the arrangement among the two elevation angles δ having different signs is assumed to be the elevation angle δ representing the radio wave arrival direction.

<第3実施形態>
図11に、第3実施形態の電波到来方向推定システムが備える無線タグリーダ2の構成を示している。第2実施形態の電波到来方向推定システムは、この無線タグリーダ2と、第1実施形態と同じ無線タグ300とを備える。無線タグリーダ2は、第2実施形態と異なり、仰角δがxy平面に対していずれか一方に限定できる位置に配置されている必要はない。
<Third Embodiment>
FIG. 11 shows the configuration of the wireless tag reader 2 provided in the radio wave arrival direction estimation system of the third embodiment. The radio wave arrival direction estimation system according to the second embodiment includes the wireless tag reader 2 and the same wireless tag 300 as that of the first embodiment. Unlike the second embodiment, the wireless tag reader 2 does not have to be arranged at a position where the elevation angle δ can be limited to either one with respect to the xy plane.

無線タグリーダ2は、受信部100Aと信号処理部200Aを備える。受信部100Aは、第1実施形態と同じ第1アンテナ部110、第1周波数変換部120、第2アンテナ部130、第2周波数変換部140を備える。加えて、受信部100Aは、第3アンテナ部150と第3周波数変換部160を備える。   The wireless tag reader 2 includes a receiving unit 100A and a signal processing unit 200A. The receiving unit 100A includes the same first antenna unit 110, first frequency converting unit 120, second antenna unit 130, and second frequency converting unit 140 as in the first embodiment. In addition, the receiving unit 100A includes a third antenna unit 150 and a third frequency converting unit 160.

第3アンテナ部150は、第1アンテナ部110および第2アンテナ部130に近接して配置されており、第3往復直線運動体151、第3アンテナ152、第3駆動部153を備える。これら、第3往復直線運動体151、第3アンテナ152、第3駆動部153は、それぞれ、第1アンテナ部110が備える第1往復直線運動体111、第1アンテナ112、第1駆動部113と同じ構成である。   The third antenna unit 150 is disposed in the vicinity of the first antenna unit 110 and the second antenna unit 130, and includes a third reciprocating linear motion body 151, a third antenna 152, and a third drive unit 153. The third reciprocating linear moving body 151, the third antenna 152, and the third driving unit 153 are respectively the first reciprocating linear moving body 111, the first antenna 112, and the first driving unit 113 included in the first antenna unit 110. It is the same configuration.

第3往復直線運動体151の往復直線運動の方向は、z軸に平行になっている。すなわち、第3往復直線運動体151の往復直線運動の方向は、第1往復直線運動体111、第2往復直線運動体131が運動する平面に対して垂直になっている。   The direction of the reciprocating linear motion of the third reciprocating linear motion body 151 is parallel to the z-axis. That is, the direction of the reciprocating linear motion of the third reciprocating linear motion body 151 is perpendicular to the plane in which the first reciprocating linear motion body 111 and the second reciprocating linear motion body 131 move.

第3周波数変換部160は、第1周波数変換部120が備えるローノイズアンプ121、RF/IF部122、ADC123と同じ構成であるローノイズアンプ161、RF/IF部162、ADC163を備える。ADC163が信号取得部210に出力する信号を、第3測定信号Vget3とする。 The third frequency conversion unit 160 includes a low noise amplifier 161, an RF / IF unit 162, and an ADC 163 having the same configuration as the low noise amplifier 121, the RF / IF unit 122, and the ADC 123 included in the first frequency conversion unit 120. A signal output from the ADC 163 to the signal acquisition unit 210 is referred to as a third measurement signal V get3 .

信号処理部200Aが備える方向決定部230Aが行う処理は、これまでの実施形態と相違する。方向決定部230Aは、第2実施形態で説明した方向決定部230と同じ処理を行って式41、式42から、1つの方位角φを決定するとともに、符号が異なる2つの仰角δを決定する。   The processing performed by the direction determination unit 230A included in the signal processing unit 200A is different from the previous embodiments. The direction determination unit 230A performs the same processing as the direction determination unit 230 described in the second embodiment to determine one azimuth angle φ from Expressions 41 and 42 and two elevation angles δ having different signs. .

さらに、方向決定部230Aは、第3測定信号Vget3からも、合成角γを算出する。第3往復直線運動体151がz軸方向に往復直線運動することから、合成角γは、図10に示すz軸と、電波到来方向とのなす角である。 Furthermore, the direction determining unit 230A calculates the composite angle γ 3 also from the third measurement signal V get3 . Since the third reciprocating linear moving body 151 reciprocates linearly in the z-axis direction, the composite angle γ 3 is an angle formed by the z-axis shown in FIG. 10 and the radio wave arrival direction.

さらに、方向決定部230Aは、式39、式40の合成角γ、γのうちのいずれかに代えて、合成角γを用いて、式42の仰角δを算出する。合成角γ、γを用いて算出する式42での仰角δはxy平面を基準とする仰角δであるのに対して、式39、式40の合成角γ、γのうちのいずれかに代えて合成角γを用いて算出する仰角δは、xz平面を基準とする仰角δである。なお、xz平面は、詳しくは、γを用いた場合には、xz平面であり、γを用いた場合にはxz平面である。 Furthermore, the direction determining unit 230A calculates the elevation angle δ of Expression 42 using the combined angle γ 3 instead of any of the combined angles γ 1 and γ 2 of Expression 39 and Expression 40. The elevation angle δ in the equation 42 calculated using the synthesized angles γ 1 and γ 2 is the elevation angle δ based on the xy plane, whereas the synthesized angle γ 1 and γ 2 in the equations 39 and 40 are The elevation angle δ calculated using the composite angle γ 3 instead of either is the elevation angle δ with reference to the xz plane. Specifically, the xz plane is the x 1 z plane when γ 1 is used, and the x 2 z plane when γ 2 is used.

合成角γ、γを用いて算出した2つの仰角δのうちいずれか一方のみが、合成角γを合成角γ、γのいずれかに代えて用いて算出した2つの仰角δと同じ方向を表す。そこで、合成角γ、γを用いて算出した2つの仰角δのうち、合成角γを合成角γ、γのいずれかに代えて用いて算出した2つの仰角δのいずれかと同じ方向を表している側を、実際に電波が到来している仰角δであるとする。 Only one of the two elevation angles δ calculated using the composite angles γ 1 and γ 2 is the two elevation angles δ calculated using the composite angle γ 3 instead of either the composite angle γ 1 or γ 2. Represents the same direction as. Therefore, compound angle gamma 1, the two elevation [delta] calculated using the gamma 2, the compound angle gamma 3 Synthesis angle gamma 1, and either of the two elevation calculated using in place of any of the gamma 2 [delta] The side representing the same direction is assumed to be an elevation angle δ at which radio waves actually arrive.

この第3実施形態では、計算により仰角δを1つに決定できる。したがって、無線タグリーダ2を、電波到来方向の仰角δとして正負の値があり得る位置に設置したとしても、仰角δを1つの値に決定することができる。   In the third embodiment, the elevation angle δ can be determined as one by calculation. Therefore, even if the wireless tag reader 2 is installed at a position where the elevation angle δ in the radio wave arrival direction can have a positive or negative value, the elevation angle δ can be determined as one value.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, The following modification is also contained in the technical scope of this invention, Furthermore, the summary other than the following is also included. Various modifications can be made without departing from the scope.

<変形例1>
たとえば、前述の実施形態では、残差エネルギーEを算出していたが、残差エネルギーEに代えて残差eを算出してもよい。この場合、式43に示す計算をすることになる。

Figure 0006413987
<Modification 1>
For example, although the residual energy E is calculated in the above-described embodiment, the residual e may be calculated instead of the residual energy E. In this case, the calculation shown in Expression 43 is performed.
Figure 0006413987

<変形例2>
前述の実施形態では、1つの到来波を示すモデルを式18としていたが、式18におけるcosをsinとしてもよい。周知のように、sinとcosは、互いに90度位相が異なっているのみで、形状は互いに同じだからである。
<Modification 2>
In the above-described embodiment, the model indicating one incoming wave is represented by Equation 18, but cos in Equation 18 may be sin. As is well known, sin and cos are only 90 degrees out of phase with each other and have the same shape.

式18におけるcosをsinとした場合、マッチングモデル、すなわち、近似測定信号モデルは、式44で表される。

Figure 0006413987
When cos in Expression 18 is sin, a matching model, that is, an approximate measurement signal model is expressed by Expression 44.
Figure 0006413987

<変形例3>
第1実施形態において、第2アンテナ部130、第2周波数変換部140を備えず、第1アンテナ部110と第1周波数変換部120のみを受信部100が備える構成としてもよい。
<Modification 3>
In the first embodiment, the receiving unit 100 may include only the first antenna unit 110 and the first frequency converting unit 120 without including the second antenna unit 130 and the second frequency converting unit 140.

この場合、正負が異なる各組の方位角±φのうちいずれが正しいかを、計算によって絞り込むことはできない。しかし、各組の方位角±φは、往復直線運動体111の運動方向を挟んで対称な角度である。したがって、往復直線運動体111を壁に沿って配置するなど、往復直線運動体111を検知範囲の境界に沿って配置すれば、往復直線運動体111の配置から、各組の方位角±φのいずれが実際に電波が到来している方位角φであるかを決定できる。 In this case, it cannot be narrowed down by calculation which one of the azimuth angles ± φ m of each set having different positive and negative is correct. However, the azimuth angle ± φ m of each set is a symmetrical angle with respect to the movement direction of the reciprocating linear moving body 111. Accordingly, if the reciprocating linear motion body 111 is disposed along the boundary of the detection range, such as the reciprocating linear motion body 111 is disposed along the wall, each set of azimuth angles ± φ m It is possible to determine which is the azimuth angle φ m from which the radio wave actually arrives.

1:無線タグリーダ 2:無線タグリーダ 100:受信部 100A:受信部 110:第1アンテナ部 111:第1往復直線運動体 112:第1アンテナ 113:第1駆動部 120:第1周波数変換部 121:ローノイズアンプ 122:RF/IF部 130:第2アンテナ部 131:第2往復直線運動体 132:第2アンテナ 133:第2駆動部 140:第2周波数変換部 141:ローノイズアンプ 142:RF/IF部 150:第3アンテナ部 151:第3往復直線運動体 152:第3アンテナ 153:第3駆動部 160:第3周波数変換部 161:ローノイズアンプ 162:RF/IF部 200:信号処理部 200A:信号処理部 210:信号取得部 220:記憶部 230:方向決定部 230A:方向決定部 300:無線タグ 300a:近似電波発信源 1: wireless tag reader 2: wireless tag reader 100: receiving unit 100A: receiving unit 110: first antenna unit 111: first reciprocating linear moving body 112: first antenna 113: first driving unit 120: first frequency converting unit 121: Low noise amplifier 122: RF / IF section 130: Second antenna section 131: Second reciprocating linear moving body 132: Second antenna 133: Second drive section 140: Second frequency conversion section 141: Low noise amplifier 142: RF / IF section 150: 3rd antenna part 151: 3rd reciprocating linear moving body 152: 3rd antenna 153: 3rd drive part 160: 3rd frequency conversion part 161: Low noise amplifier 162: RF / IF part 200: Signal processing part 200A: Signal Processing unit 210: Signal acquisition unit 220: Storage unit 230: Direction determining unit 230A: Direction determining unit 300: Wireless tag 300a: Approximate radio wave source

Claims (8)

無線タグ(300)が送信する予め設定された一定周波数の電波の到来方向を推定する電波到来方向推定装置であって、
往復直線運動する往復直線運動体(111、131、151)と、前記往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる駆動部(113、133、153)と、前記往復直線運動体に固定されて前記無線タグが送信する電波を受信するアンテナ(112、132、152)とを備え、前記アンテナが受信した電波に基づいて定まる信号である測定信号を出力する受信部(100、100A)と、
前記無線タグが送信する電波を平面波とする近似を用いて前記測定信号を表すモデルであって、未知パラメータとして、基準方位と前記電波が到来する方位との間の角度である方位角および位相を含む近似測定信号モデルと、前記受信部が出力する前記測定信号との一致度を、前記近似測定信号モデルの前記未知パラメータを変化させつつ算出することで、前記測定信号と最も一致する前記近似測定信号モデルにおける前記方位角を決定する方向決定部(230、230A)と、を備えることを特徴とする電波到来方向推定装置。
A radio wave arrival direction estimation device for estimating the arrival direction of a predetermined frequency radio wave transmitted by the wireless tag (300),
A reciprocating linear motion body (111, 131, 151) that reciprocates linearly, a drive unit (113, 133, 153) that moves the reciprocating linear motion body at a preset speed, and a fixed reciprocating linear motion body. An antenna (112, 132, 152) that receives radio waves transmitted by the wireless tag, and a receiving unit (100, 100A) that outputs a measurement signal that is a signal determined based on the radio waves received by the antenna;
A model that represents the measurement signal using an approximation in which a radio wave transmitted by the wireless tag is a plane wave, and an unknown parameter is an azimuth angle and a phase that are an angle between a reference azimuth and a direction from which the radio wave arrives. The approximate measurement that most closely matches the measurement signal by calculating the degree of coincidence between the approximate measurement signal model including the measurement signal output from the reception unit while changing the unknown parameter of the approximate measurement signal model A radio wave arrival direction estimation device comprising: a direction determination unit (230, 230A) that determines the azimuth angle in a signal model.
請求項1において、
前記受信部は、
前記往復直線運動体として、往復直線運動の方向が互いに交差する第1往復直線運動体(111)と第2往復直線運動体(131)を備え、
前記駆動部として、前記第1往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる第1駆動部(113)と、前記第2往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる第2駆動部(133)を備え、
前記アンテナとして、前記第1往復直線運動体に固定されている第1アンテナ(112)と、前記第2往復直線運動体に固定されている第2アンテナ(132)を備え、
前記方向決定部は、
前記第1アンテナが受信した電波に基づいて定まる前記測定信号である第1測定信号と、前記近似測定信号モデルとの一致度を、前記近似測定信号モデルの未知パラメータを変化させつつ算出し、前記第1測定信号と最も一致する前記近似測定信号モデルにおける前記方位角であって、互いに絶対値が同じで符号が異なる少なくとも一組の前記方位角を決定するとともに、
前記第2アンテナが受信した電波に基づいて定まる前記測定信号である第2測定信号と、前記近似測定信号モデルとの一致度を、前記近似測定信号モデルの未知パラメータを変化させつつ算出し、前記第2測定信号と最も一致する前記近似測定信号モデルにおける前記方位角であって、互いに絶対値が同じで符号が異なる少なくとも一組の方位角を決定し、
前記第1測定信号を用いて決定した各組の前記方位角のうち、前記第2測定信号を用いて決定した前記方位角と同じ方向を表している前記方位角を、実際に電波が到来している方位角として推定することを特徴とする電波到来方向推定装置。
In claim 1,
The receiver is
The reciprocating linear motion body includes a first reciprocating linear motion body (111) and a second reciprocating linear motion body (131) whose directions of reciprocating linear motion intersect each other,
As the drive unit, a first drive unit (113) that moves the first reciprocating linear motion body at a preset speed, and a second drive unit (133) that moves the second reciprocating linear motion body at a preset speed. )
The antenna includes a first antenna (112) fixed to the first reciprocating linear motion body and a second antenna (132) fixed to the second reciprocating linear motion body,
The direction determining unit
The degree of coincidence between the first measurement signal, which is the measurement signal determined based on the radio wave received by the first antenna, and the approximate measurement signal model is calculated while changing unknown parameters of the approximate measurement signal model, Determining at least one set of the azimuth angles in the approximate measurement signal model that most closely match the first measurement signal, the absolute values of which are the same and different in sign,
The degree of coincidence between the second measurement signal, which is the measurement signal determined based on the radio wave received by the second antenna, and the approximate measurement signal model is calculated while changing unknown parameters of the approximate measurement signal model, Determining at least one set of azimuth angles in the approximate measurement signal model that most closely match a second measurement signal, having the same absolute value and different signs,
Of each set of the azimuth angles determined using the first measurement signal, radio waves actually arrive at the azimuth angle indicating the same direction as the azimuth angle determined using the second measurement signal. A radio wave arrival direction estimation apparatus, wherein the estimation is made as an azimuth angle.
請求項1において、
前記受信部は、前記アンテナが受信した電波を、前記電波の周波数よりも低い中間周波数の信号に変換する周波数変換部(120、140、160)を備え、前記測定信号として、前記周波数変換部が周波数を変換した信号を出力し、
前記近似測定信号モデルは、複数の到来波の合成波を前記中間周波数の信号に変換したモデルであって、前記無線タグが送信する電波の周波数をfRF、前記中間周波数をfIF、時刻をt、光速をv、前記アンテナの移動中心からの前記アンテナまでの距離をx、各到来波の方位角をφ、各到来波の振幅をA、各到来波の位相をΨ、到来波の数をN、前記近似測定信号モデルをVrefとしたとき、式1または式2と、式3、4、5で表されるモデルであり、
Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
前記方向決定部は、前記測定信号をVget、サンプリング番号をk、総サンプリング数をKとしたとき、式6で表す残差eが最小となる前記複数の到来波の前記方位角の組み合わせを探索するものであって、
Figure 0006413987
前記式6を前記Bで偏微分した式と、前記式6を前記Cで偏微分した式をそれぞれ0とすることで立式される連立方程式を解くことにより前記B、Cを算出し、算出した前記B、Cを用いて、前記残差eが最小となる前記複数の到来波の前記方位角の組み合わせを探索することを特徴とする電波到来方向推定装置。
In claim 1,
The reception unit includes a frequency conversion unit (120, 140, 160) that converts a radio wave received by the antenna into a signal having an intermediate frequency lower than the frequency of the radio wave, and the frequency conversion unit includes the frequency conversion unit as the measurement signal. Outputs the frequency converted signal,
The approximate measurement signal model is a model obtained by converting a composite wave of a plurality of incoming waves into a signal of the intermediate frequency, where the frequency of the radio wave transmitted by the wireless tag is f RF , the intermediate frequency is f IF , and the time is t, the speed of light v c , the distance from the moving center of the antenna to the antenna x v , the azimuth angle of each incoming wave φ m , the amplitude of each incoming wave A m , and the phase of each incoming wave Ψ m When the number of incoming waves is N and the approximate measurement signal model is V ref , the model is expressed by Formula 1 or Formula 2 and Formulas 3, 4, and 5;
Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
Figure 0006413987
The direction determining unit determines a combination of the azimuth angles of the plurality of arriving waves that minimizes the residual e expressed by Equation 6, where V get is the measurement signal, k is the sampling number, and K is the total number of samplings. To explore,
Figure 0006413987
The B and C are calculated by solving the simultaneous equations formed by subtracting the expression 6 obtained by partial differentiation of the expression 6 from the B and the expression obtained by partially differentiating the expression 6 from the C by 0. The radio wave arrival direction estimation apparatus, wherein the combination of the azimuth angles of the plurality of arrival waves that minimize the residual e is searched using the B and C.
請求項3において、
前記方向決定部は、前記式6から前記測定信号のみの項を除き、かつ、符号を反転させた式7により計算される残差エネルギーEが最大となる前記複数の到来波の前記方位角の組み合わせを探索することで、前記式6で表す残差eが最小となる前記複数の到来波の前記方位角の組み合わせを探索することを特徴とする電波到来方向推定装置。
Figure 0006413987
In claim 3,
The direction determining unit removes the term of only the measurement signal from the equation 6 and calculates the azimuth angle of the plurality of incoming waves with the maximum residual energy E calculated by the equation 7 with the sign inverted. A radio wave arrival direction estimation device, wherein a combination is searched for to search for a combination of the azimuth angles of the plurality of incoming waves that minimize the residual e expressed by Equation (6).
Figure 0006413987
請求項3または4において、
前記残差eを算出する式の一部である式8および式9において、前記zが定まることにより値を計算できるz因子項に、複数の前記方位角、前記時刻を入力して計算した前記z因子項の計算値を記憶した記憶部(220)を備えており、
Figure 0006413987
Figure 0006413987
前記方向決定部は、前記記憶部に記憶されている前記z因子項の計算値を用いて、複数の前記方位角、前記時刻に対する前記式8、前記式9の値を算出することを特徴とする電波到来方向推定装置。
In claim 3 or 4,
In the equations 8 and 9 which are part of the equation for calculating the residual e, the z factor term that can be calculated by determining the z is calculated by inputting a plurality of the azimuth angles and the time. a storage unit (220) that stores a calculated value of the z-factor term;
Figure 0006413987
Figure 0006413987
The direction determining unit calculates the values of Equation 8 and Equation 9 for a plurality of the azimuth angles and the time using the calculated value of the z-factor term stored in the storage unit. Radio wave arrival direction estimation device.
請求項1において、
前記受信部は、
前記往復直線運動体として、往復直線運動の方向が同一平面上において互いに交差する第1往復直線運動体(111)と第2往復直線運動体(131)を備え、
前記駆動部として、前記第1往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる第1駆動部(113)と、前記第2往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる第2駆動部(133)を備え、
前記アンテナとして、前記第1往復直線運動体に固定されている第1アンテナ(112)と、前記第2往復直線運動体に固定されている第2アンテナ(132)を備え、
前記近似測定信号モデルは、前記未知パラメータとして、前記方位角、前記位相に加えて、前記往復直線運動体の移動方向を含んでいる平面に対する前記電波の進行方向の仰角を含んでおり、
前記方向決定部は、
前記近似測定信号モデルにおける前記方位角と前記仰角を、前記方位角と前記仰角を合成した角度である合成角に変更したモデルである合成角近似モデルと、前記第1アンテナが受信した電波に基づいて定まる前記測定信号である第1測定信号との一致度を、前記合成角近似モデルの未知パラメータを変化させつつ算出し、前記第1測定信号と最も一致する前記合成角近似モデルにおける前記合成角を決定するとともに、
前記合成角近似モデルと前記第2アンテナが受信した電波に基づいて定まる前記測定信号である第2測定信号との一致度を、前記合成角近似モデルの未知パラメータを変化させつつ算出し、前記第2測定信号と最も一致する前記合成角近似モデルにおける前記合成角を決定し、
前記第1測定信号を用いて決定した前記合成角と、前記第2測定信号を用いて決定した前記合成角とに基づいて、前記方位角および前記仰角を決定することを特徴とする電波到来方向推定装置。
In claim 1,
The receiver is
The reciprocating linear motion body includes a first reciprocating linear motion body (111) and a second reciprocating linear motion body (131) whose directions of reciprocating linear motion intersect each other on the same plane,
As the drive unit, a first drive unit (113) that moves the first reciprocating linear motion body at a preset speed, and a second drive unit (133) that moves the second reciprocating linear motion body at a preset speed. )
The antenna includes a first antenna (112) fixed to the first reciprocating linear motion body and a second antenna (132) fixed to the second reciprocating linear motion body,
The approximate measurement signal model includes, as the unknown parameter, the elevation angle of the traveling direction of the radio wave with respect to a plane including the moving direction of the reciprocating linear moving body in addition to the azimuth angle and the phase.
The direction determining unit
Based on a synthesized angle approximation model that is a model obtained by changing the azimuth angle and the elevation angle in the approximate measurement signal model to a synthesized angle that is a synthesized angle of the azimuth angle and the elevation angle, and a radio wave received by the first antenna. The degree of coincidence with the first measurement signal, which is the measurement signal determined in this way, is calculated while changing the unknown parameter of the synthetic angle approximation model, and the synthetic angle in the synthetic angle approximation model that most closely matches the first measurement signal As well as
The degree of coincidence between the synthetic angle approximation model and the second measurement signal, which is the measurement signal determined based on the radio wave received by the second antenna, is calculated while changing the unknown parameter of the synthetic angle approximation model, Determining the composite angle in the composite angle approximation model that most closely matches the two measurement signals;
The radio wave arrival direction, wherein the azimuth angle and the elevation angle are determined based on the composite angle determined using the first measurement signal and the composite angle determined using the second measurement signal. Estimating device.
請求項6において、
前記受信部は、さらに、
前記第1往復直線運動体および前記第2往復直線運動体が運動する平面に対して直交する方向に往復直線運動する第3往復直線運動体(151)と、
前記第3往復直線運動体を予め設定した速度で運動させる第3駆動部(153)と、
前記第3往復直線運動体に固定されている第3アンテナ(152)を備え、
前記方向決定部(230A)は、
前記第1測定信号と前記合成角近似モデルの一致度、および、前記第2測定信号と前記合成角近似モデルの一致度を算出することに加えて、前記合成角近似モデルと前記第3アンテナが受信した電波に基づいて定まる前記測定信号である第3測定信号との一致度を、前記合成角近似モデルの未知パラメータを変化させつつ算出し、前記第3測定信号と最も一致する前記合成角近似モデルにおける前記合成角を決定し、
前記第1測定信号を用いて決定した前記合成角と前記第2測定信号を用いて決定した前記合成角とに基づいて、互いに絶対値が同じで符号が異なる2つの前記仰角を決定するとともに、
前記第1測定信号および前記第2測定信号のいずれか一方を用いて決定した前記合成角と前記第3測定信号を用いて決定した前記合成角とに基づいて、互いに絶対値が同じで符号が異なる2つの前記仰角を決定し、
前記第1測定信号を用いて決定した前記合成角と前記第2測定信号を用いて決定した前記合成角とから決定した2つの前記仰角のうち、前記第1測定信号および前記第2測定信号のいずれか一方を用いて決定した前記合成角と前記第3測定信号を用いて決定した前記合成角とから決定した前記仰角を、実際に電波が到来している仰角として推定することを特徴とする電波到来方向推定装置。
In claim 6,
The receiver further includes
A third reciprocating linear moving body (151) that reciprocates linearly in a direction perpendicular to a plane in which the first reciprocating linear moving body and the second reciprocating linear moving body move;
A third drive unit (153) for moving the third reciprocating linear moving body at a preset speed;
A third antenna (152) fixed to the third reciprocating linear motion body;
The direction determining unit (230A)
In addition to calculating the degree of coincidence between the first measurement signal and the synthetic angle approximation model and the degree of coincidence between the second measurement signal and the synthetic angle approximation model, the synthetic angle approximation model and the third antenna The degree of coincidence with the third measurement signal, which is the measurement signal determined based on the received radio wave, is calculated while changing the unknown parameter of the synthetic angle approximation model, and the synthetic angle approximation that most closely matches the third measurement signal Determining the composite angle in the model;
Based on the composite angle determined using the first measurement signal and the composite angle determined using the second measurement signal, the two elevation angles having the same absolute value and different signs are determined.
Based on the composite angle determined using one of the first measurement signal and the second measurement signal and the composite angle determined using the third measurement signal, the absolute values are the same and the signs are the same. Determine two different elevation angles,
Of the two elevation angles determined from the combined angle determined using the first measurement signal and the combined angle determined using the second measurement signal, the first measurement signal and the second measurement signal The elevation angle determined from the composite angle determined using either one and the composite angle determined using the third measurement signal is estimated as an elevation angle at which radio waves actually arrive. Radio wave arrival direction estimation device.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の電波到来方向推定装置と、前記無線タグとを備えた電波到来方向推定システム。   A radio wave arrival direction estimation system comprising the radio wave arrival direction estimation device according to claim 1 and the wireless tag.
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